光ヘテロダイン光熱変換法によるナノピラー複合材料の熱物性評価と熱電素子応用

光外差光热转换方法评价纳米柱复合材料热物理性能及热电器件应用

• 批准号: 22KJ2523
• 负责人: 原田 知季
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: University of Miyazaki
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2523/
• 关键词: 光熱変換測定; 非発光再結合; キャリアライフタイム; マッピング測定; 熱伝導率測定

今年度はSi-NP(ナノピラー)/SiGe複合膜の評価を実施した。熱伝導と電気伝導のナノ構造のサイズによる変化について知見を得るため、ナノピラー(NP)間隔を変化させた複合膜を用意した。直径13 nm、高さ100 nm のNPを13、27および47 nmの間隔で作製した。複合膜の熱伝導率は3オメガ法により、面内、面直方向ともにNP間隔が狭いほど小さい結果が得られた。これは、NPがフォノンを散乱させたためである。前年度に光ヘテロダイン光熱変位(LH-PD)法の装置の構築と、数値計算を実施し、LH-PD信号には、光吸収係数、キャリア移動度、キャリアライフタイム、バンドギャップ、熱拡散率、ヤング率、ポアソン比、線膨張係数といった様々な物性値が関係することがわかっている。そのため、複合膜の電気伝導に関わるキャリア物性をLH-PD法で評価するには工夫が必要である。2つの実験を実施した。1つ目は複合膜にそのまま励起光を照射した測定、2つ目は複合膜表面の一部にAl膜を形成し、Alに励起光を照射した測定である。1つ目の測定では、複合膜に光励起キャリアが生じ、拡散し再結合する際に生じた熱による膨張がLH-PD信号となる。2つ目の測定では、Alが光吸収して発熱し、複合膜へ熱伝導した結果として信号が得られる。2つの測定結果を比較することで、多くの物性のうち、光吸収、キャリア移動度およびキャリアライフタイムとそれ以外の物性値の切り分けが可能になった。数値計算との比較から、NP間隔27 nmのとき、キャリアライフタイムが長いことがわかった。キャリアライフタイムはキャリアの拡散長に関係し、長いほど電気伝導に良いことが考えられる。熱電素子の性能は熱伝導率に反比例し、電気伝導率に比例するため、NP間隔27 nmの複合膜の性能が高い可能性があることがわかった。

今年，我们评估了 Si-NP（纳米柱）/SiGe 复合薄膜。为了了解热传导和电传导随纳米结构尺寸变化的变化，我们制备了具有不同纳米柱（NP）间距的复合膜。制备了直径为 13 nm、高度为 100 nm 的纳米粒子，间距为 13、27 和 47 nm。使用 3-omega 方法发现，随着 NP 间距在面内和垂直方向上变窄，复合膜的热导率更小。这是因为纳米粒子会散射声子。去年，我们构建了光学外差光热位移（LH-PD）方法的装置并进行了数值计算，已知涉及杨氏模量、泊松比和线膨胀系数等各种物理性质。因此，为了使用 LH-PD 方法评估复合薄膜中与导电相关的载流子特性，需要一些独创性。进行了两个实验。第一个是直接对复合膜照射激发光的测定，第二个是在复合膜表面的一部分上形成Al膜并对Al照射激发光的测定。在第一次测量中，复合膜中产生光激发载流子，它们扩散和复合时发生的热膨胀成为LH-PD信号。在第二次测量中，由于Al吸收光并产生热量而获得信号，然后该信号被转移到复合膜上。通过比较两次测量结果，可以区分光吸收、载流子迁移率、载流子寿命以及众多物理特性中的其他物理特性值。与数值计算的比较表明，当NP间距为27 nm时，载流子寿命较长。载流子寿命与载流子扩散长度有关，认为载流子扩散长度越长，导电性越好。由于热电元件的性能与热导率成反比，与电导率成正比，因此发现NP间距为27 nm的复合膜可能具有高性能。

项目成果

Development of laser heterodyne photothermal displacement method for mapping carrier nonradiative recombination centers in semiconductors

开发用于绘制半导体载流子非辐射复合中心的激光外差光热位移方法

• DOI: 10.1063/5.0085041
• 发表时间: 2022
• 期刊: J. Appl. Phys.
• 作者: Tomoki Harada;Tetsuo Ikari and Atsuhiko Fukuyama
• 通讯作者: Tetsuo Ikari and Atsuhiko Fukuyama

Development of non-contact and non-destructive method for estimating the thermal properties by using the laser heterodyne photothermal displacement method

开发利用激光外差光热位移法非接触、无损评估热性能的方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 原田知季，安良田裕基，森田浩右，碇哲雄;福山敦彦
• 通讯作者: 福山敦彦

Defect mapping of metal contaminated Si wafers by a laser heterodyne photothermal displacement method

激光外差光热位移法金属污染硅片缺陷测绘

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomoki Harada;Kosuke Morita;Shogo Harada;Hiroki Ohyama; Tetsuo Ikari;and Atsuhiko Fukuyama
• 通讯作者: and Atsuhiko Fukuyama

ナノピラー間隔を変化させたSi-nanopillar/SiGe0.3複合膜の光ヘテロダイン光熱変位法によるキャリアライフタイム評価

采用光学外差光热位移法评估不同纳米柱间距的Si-纳米柱/SiGe0.3复合薄膜的载流子寿命

• 发表时间: 2023
• 作者: Tomoki Harada;Tetsuo Ikari and Atsuhiko Fukuyama;原田 知季，大堀 大介，遠藤 和彦，寒川 誠二，碇 哲雄，福山 敦彦
• 通讯作者: 原田 知季，大堀 大介，遠藤 和彦，寒川 誠二，碇 哲雄，福山 敦彦

Analysis of in-plane thermal conduction in Si-Nanopillar/SiGe composite films by laser heterodyne photothermal displacement signal and theoretical calculation

激光外差光热位移信号分析Si-纳米柱/SiGe复合薄膜面内热传导及理论计算

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroki Ohyama;Tomoki Harada;Kosuke Morita;Shogo Harada;Daisuke Ohori;Seiji Samukawa;Tetsuo Ikari;and Atsuhiko Fukuyama
• 通讯作者: and Atsuhiko Fukuyama