表面・界面局在フォノンエンジニアリングによる熱伝導制御

通过表面/界面局域声子工程进行热传导控制

• 批准号: 22KJ1107
• 负责人: 森田 路真
• 金额: $ 1.41万
• 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: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1107/
• 关键词: シリコン極薄膜; ナノスケール熱伝導; 表面フォノン; 表面粗さ

シリコン極薄膜の熱伝導向上は集積回路の集積密度に重要な意味を持つため，本研究では表面フォノン散乱という従来着目されていなかった観点からこれの実現に取り組んだ．まず，予備研究としてより高い表面密度を持つ二次元フォノニック結晶(PnC)の熱伝導解析を行い，PnCにおいても表面フォノン散乱が熱伝導を抑制していること，またPnC中の表面フォノンの周波数を変えることによって表面フォノン散乱を低減し，PnC熱伝導率の向上が可能であることを確かめ，学会発表を行った(第59回日本伝熱シンポジウム)．また，先行研究で表面フォノン散乱の存在が確認されたのは表面が完全に滑らかな薄膜であり，現実に存在する粗さを持つ薄膜では熱伝導低下は従来フォノンの境界散乱に基づき理解されてきた．しかしこれはフォノンの表面における弾性散乱をモデル化したものであり，フォノンの非調和性を考慮できていないという問題がある．そこで粗さを持つ薄膜の熱伝導率を非調和性を直接考慮した解析手法である格子動力学法を用いて計算した．その結果，粗さを持つ薄膜でも表面フォノンが存在すること，また粗さに由来する弾性散乱が引き起こす群速度の低下に加えて，非調和性に由来する緩和時間の低下も熱伝導率低下に強く寄与しており，加えて後者では実際に表面フォノン散乱が大きく寄与していることが確認できた．よって今後両者の知見を活かし，表面フォノンの周波数を表面修飾等によって変化させ，粗さを持つ薄膜の熱伝導率向上を狙っていく予定である．

提高超薄硅膜的导热率对于集成电路的集成密度具有重要意义，因此在本研究中，我们试图从表面声子散射的角度来实现这一目标，而这是以前从未考虑过的。首先，作为初步研究，我们对具有较高表面密度的二维声子晶体（PnC）进行了热传导分析，发现即使在PnC中，表面声子散射也会抑制热传导，并且表面声子的频率在PnC 我们确认通过改变PnC温度可以减少表面声子散射并提高PnC热导率，并在学术会议（第59届日本传热研讨会）上发表了演讲。此外，先前的研究已经证实，在表面完全光滑的薄膜中存在表面声子散射，而在实际存在的粗糙薄膜中，传统上基于声子边界散射来理解热导率降低。然而，该模型模拟了声子在表面的弹性散射，存在一个问题，即它没有考虑声子的非谐性。因此，我们利用晶格动力学方法计算了具有粗糙度的薄膜的热导率，这是一种直接考虑非谐性的分析方法。结果，即使在具有粗糙度的薄膜中也存在表面声子，除了粗糙度导致的弹性散射导致群速度降低之外，非谐性导致的弛豫时间减少也会导致热导率降低。我们证实表面声子散射实际上对后者有很大贡献。因此，未来我们计划利用双方的知识，通过表面改性等方式改变表面声子的频率，以期提高具有粗糙度的薄膜的导热系数。

项目成果

格子動力学法を用いた極小2次元フォノニック結晶の熱伝導抑制メカニズムの調査

利用晶格动力学方法研究超小型二维声子晶体的热传导抑制机制

• 发表时间: 2022
• 作者: Yudan Du;Tomoya Aoyama;Yuanshu Zhou;Yasuhumi Takahashi;Yusuke Hirabayashi;森田路真
• 通讯作者: 森田路真