2023 Fiscal Year Annual Research Report

Heat Transfer Measurement on Nanogap -Investigation of Transition from Radiation to Heat Conduction

Research Project

Project/Area Number	21H01261
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	土屋智由京都大学, 工学研究科, 教授 (60378792)
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) 廣谷潤京都大学, 工学研究科, 准教授 (80775924)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	ナノギャップ / シリコン / へき開 / MEMS / 顕微ラマン分光 / サーモリフレクタンス / 熱放射 / カシミール力
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の実験的測定に取り組みました。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するものです。研究代表者はMEMSナノギャップ創製デバイスを製作しました。面方位(110)のSOIウエハのデバイス層（厚さ5μm）に構造を作製したデバイスを治具に固定したのち、圧電アクチュエータによりシャトル部に引張荷重を印加、へき開で分割してギャップを創製しました。さらにシャトル部を櫛歯型静電アクチュエータを駆動してへき開後のギャップの間隔を変化させ、変位を平行平板型静電容量センサで計測することでナノメートルの変位分解能を実現し、カシミール力によるプルインが発生する10nm程度のギャップまでの制御を実現しました。このデバイスについて顕微ラマン分光装置を用いたギャップの両端温度の測定に成功しました。研究分担者はサーモリフレクタンスを原理としたレーザー光による非接触で高精度・高空間分解能な温度計測技術の開発を進めました。装置の断熱設計や差動型光検出器などを含めた光学系の基本設計を構築し、従来では困難であった10^-5(/K)オーダーの極微小な反射強度変化を計測することに成功しました。本技術を用いてMo薄膜のジュール加熱による反射強度変化の膜厚依存性を測定しました。これらの技術を用いて、創製したナノギャップの伝熱測定に顕微ラマン分光、サーモリフレクタンスによる精密な局所温度測定を行い、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の解明を進めました。この技術を今後は様々な機械・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。
Research Progress Status	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。