ナノギャップを伝わる伝熱機構の解明～輻射か伝導か？～

阐明通过纳米间隙的传热机制——辐射还是传导？

基本信息

批准号：
20J13729
负责人：
立川冴子
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

マイクロヒーターとマイクロ熱センサーを集積したデバイスを作製し、10 μmのギャップを介して面内方向に並べ、真空中での熱輸送計測を行った。デバイス作製については、表面フォノンポラリトンを誘起するためSiO2/Si/SiO2の3層膜構造を有するマイクロヒーターとマイクロセンサーを作製した。酸化膜は30-200 nmと暑さを変化させ、酸化膜による影響を調べるため、Siのみのデバイスも作製した。熱測定については、交流信号を用いる3ω法と、ホイートストンブリッジ法を組み合わせた高精度な系を組み立てた。ヒーター側では、マイクロヒーターに1ωで振動する電流を入力し、2ωで振動する温度変化に伴い変化する電気抵抗と、1ωで振動する入力電流との掛け合わせで生成される 3ω成分をロックイン抽出し、マイクロヒーターの温度上昇を算出する。センサー側においては、微小電流を流すことで、ヒーターから伝わる2ωの温度変化に伴う電気抵抗の変化をホイートストンブリッジとロックインアンプで抽出し、マイクロセンサーの温度上昇を算出する。ヒーターおよびセンサーの温度上昇と入力電力から、ギャップの熱コンダクタンスを求めた。シリコンのみのデバイスについてギャップのコンダクタンスを計測したところ、従来のプランク則に従う値が得られたが、3層構造についてギャップコンダクタンスはシリコンのみの場合より約2倍の値を示し、黒体輻射限界をも上回る結果となった。表面フォノンポラリトンのエネルギー分布をシミュレーションにより分析すると、酸化膜で励起された表面フォノンポラリトンは非吸収体であるSi内を主に伝播し、面内方向に放出されることがわかった。そのため、黒体輻射限界を超える高効率なエネルギー交換が可能となったのだと考える。

我们制作了一个集成微型加热器和微型热传感器的装置，将它们以 10 μm 的间隙沿面内方向排列，并测量真空中的热传输。在器件制造方面，我们制造了具有SiO2/Si/SiO2三层结构的微加热器和微传感器，以诱导表面声子极化子。氧化膜的温度在30至200 nm之间变化，为了研究氧化膜的影响，我们还制作了仅使用Si的器件。对于热量测量，我们构建了一个结合了使用交流信号的 3ω 方法和惠斯通电桥方法的高精度系统。在加热器侧，以1ω振荡的电流被输入到微型加热器，并且以2ω振荡的随温度变化的电阻乘以以1ω振荡的输入电流而生成3ω分量，并且锁定地提取以1ω振荡的输入电流。英寸并计算微型加热器的温升。在传感器侧，通过施加小电流，惠斯通电桥和锁定放大器提取由加热器传输的2Ω温度变化引起的电阻变化，并计算微传感器的温升。间隙的热导率由加热器和传感器的温升以及输入功率确定。当我们测量纯硅器件的间隙电导时，我们得到了符合传统普朗克定律的值，但对于三层结构，间隙电导大约是纯硅器件的两倍，超过了传统的普朗克定律。黑体辐射极限的结果甚至更好。对表面声子极化子能量分布的模拟分析表明，氧化膜中激发的表面声子极化子主要在非吸收材料Si内传播，并沿面内方向发射。因此，我们相信超越黑体辐射极限的高效能量交换已经成为可能。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

多層膜構造における表面フォノンポラリトンの熱伝導コンダクタンスの向上

多层膜结构中表面声子极化子热导率的改进

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
立川冴子;ホセオルドネスミランダ;ユンフイウー;ロランジャラベール;ロマンアヌフリエフ;セバスチャンヴォルツ;野村政宏
通讯作者：
野村政宏

Thickness dependence of surface phonon polariton propagation length in SiO2/Si/SiO2 structures

SiO2/Si/SiO2 结构中表面声子极化子传播长度的厚度依赖性

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tachikawa Saeko;Ordonez-Miranda Jose;Wu Yunhui;Jalabert Laurent;Anufriev Roman;Volz Sebastian;Nomura Masahiro
通讯作者：
Nomura Masahiro

High Surface Phonon-Polariton in-Plane Thermal Conductance along Coupled Films