2021 Fiscal Year Annual Research Report
Heat Transfer Measurement on Nanogap -Investigation of Transition from Radiation to Heat Conduction
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21H01261
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
土屋 智由 京都大学, 工学研究科, 教授 (60378792)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宅 修吾 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (60743953)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ナノギャップ / 熱放射 / シリコン / MEMS / へき開 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではMEMSデバイスを用い、ナノスケールの空間において伝熱が放射から熱伝導に遷移する領域を実験的に測定します。単結晶シリコンの(111)面を真空中でへき開破壊することで、数μm角の平行平滑なナノギャップを創製し、これを数nm以下の分解能で間隔を制御しようというものです。その伝熱測定には精密な局所温度測定が必要であり、顕微ラマン分光、サーモリフレクタンス、機械振動特性変化の3手法を検討し、0.1K以下の分解能を実現します。これらにより固体接触面における伝熱現象という基本的でありながらいまだに明らかでない現象を解明し、様々な機械・構造における熱エネルギーの効率的な利用に応用します。
今年度は厚み数～数10μmの単結晶シリコンに製作した微小電気機械システム（MEMS）デバイス上でへき開破壊によって創製した原子レベルで平滑で対向面が一対一に対応するナノギャップを創製するためのデバイスの設計と製作を行いました。一方、3種類の温度測定法の比較検討を行いました。顕微ラマン分光による温度計測では、レーザ光源を更新し、波長安定性や温度測定の精度向上に取り組みました。振動子の共振周波数変化による温度計測はデバイスにに片持ち梁を形成しその共振周波数の温度依存性を用いて測定する方法を検討しました。研究分担者が担当するサーモリフレクタンスでは既存技術での温度応答性改善法を探索するために，反射膜種による信号強度の変化を計測し、計算実験を実施．加えて温度計測の二次元マッピング計測実験を実施し，本テーマで目的とする実験計測環境の整備を進めました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ナノギャップ間の電子・熱輸送計測デバイスの開発を行った。SOIウエハのデバイス層（厚さ5μm）に形成するMEMSナノギャップ創製デバイスを設計した。ウエハ面方位は(110)で、へき開面が(111)面になるように構造を配置し、ギャップ部、静電駆動アクチュエータ、静電容量型変位センサを一体化している。製作したデバイスを、真空中に設置し、圧電アクチュエータで荷重印加してへき開によりナノギャップを創成したのちにギャップ間の電流電圧特性の測定に成功した。半導体表面からのナノギャップにおける電界電子放出の計算との比較でギャップの創成を確認したと同時に電流は局所的になっていることをが明らかになった。
顕微ラマン分光を用いた温度測定の分解能の向上のため、顕微ラマン装置のレーザを交換し、周期加熱による動的測定を検討した。また、振動子の共振周波数変化による温度計測については、ナノギャップデバイスの製作に合わせて振動子を設計してデバイスに組み込み温度測定の可否を検討した。
研究分担者の三宅はサーモリフレクタンスによる温度計測において温度変化に対する反射強度の推定変化量約10^-4~10^-5/Kに対して，10^-4/Kに迫る計測感度を持つ光学実験系を開発している．現在性能確認を進めながら，1~2桁の感度向上を追求している．これまでの実験で，振幅の極微小なゆらぎ抑制（10^-6オーダー）と長時間安定性に課題があることを把握．空間分解能は対物レンズの選定により数μm程度まで実現の目処を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はMEMSデバイスを用いたナノギャップデバイスによる熱輸送計測の実現に取り組む。まず、試作したデバイスを用いて、真空中で創成したナノギャップにおける熱輸送の計測に取り組む。電気特性の測定に成功したデバイスを顕微ラマン分光装置に備えた真空資料チャンバー内に設置してへき開破壊、ギャップ制御を行いながらギャップの一方を通電加熱したときの温度差を計測する。
同時に、ギャップ間隔の制御方法について検討する。ギャップ間には静電引力やカシミール力、分子間力などが作用するため、静電力で駆動してナノギャップの間隔を制御するためにはこれらを考慮しながら駆動力を制御する必要がある。これらの作用力を解析し、ギャップ制御のための制御手法についても検討する。
以上の検討をもとに、昨年度設計試作したデバイスにおける、課題を抽出し、デバイスの再設計、製作を行う予定である。今年度末には熱輸送のギャップ間隔依存性を顕微ラマン分光法での測定を実現する。
サーモリフレクタンスについては計測の高感度化と安定性を確実にするため、温調システムの導入と偏波保持光ファイバー光学系による信号計測装置を設計・試作する。その後，京都大学で作製する試料を用いた加熱実験を試み、実際の温度変化量に適用可能な計測感度およびナノギャップ間の温度計測のためのレンズ操作機構を開発する予定である。
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