酸化膜を有するＳｉナノ構造中のフォノンおよびキャリアの挙動に関する計算科学的研究

氧化膜硅纳米结构中声子和载流子行为的计算科学研究

• 批准号: 13J05632
• 负责人: 図師 知文
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J05632/
• 关键词: Siナノワイヤ; 熱伝導率; 分子動力学; フォノン; Si/SiO2界面; キャリア; 分子動力学法; 非平衡グリーン関数法; 酸化絶縁膜; SiO_2/Si界面

本研究の目的は、酸化絶縁(SiO2)膜の存在がSiナノ構造中のフォノンとキャリアの振る舞いに及ぼす影響を原子レベルで明らかにし、熱の振る舞いを配慮したデバイス性能向上のための設計指針見を得ることである。昨年度までに、SiO2膜に覆われたSiナノ結晶のフォノン・エネルギー分散関係を明らかにし、酸化誘起の界面ラフネスが電気伝導に与える影響を明確にしている。本年度は、κ低下の本質的な起源を調査するため、分子動力学(MD)法を用いて酸化被膜型SiNWのエネルギー分散とκを解析した。そして、その相関からκ低下の物理的起源を原子レベルで解明した。κの酸化膜厚依存性を解析したところ、SiNWのκはSiO2膜厚の増加とともに低下ことが分かった。また、MD計算で得られたκの低下は、断面を占めるSiとSiO2の断面積比では単純に説明することができないことが分かった。そこでκとフォノンのエネルギー分散関係の関連を調べたところ、SiO2膜によって誘起される無秩序な振動状態の強度とκの低下量との間には強い相関があることが明らかになった。無秩序な振動状態は、SiO2/Si界面近傍に存在する格子配置の乱れたSi原子の振動成分であると考えられる。酸化誘起の振動状態がκに与える影響をさらに明確にするため、音響フォノンの状態密度(VDOS)とκの相関をさらに解析したところ、κ低下はVDOSの面積よりも新奇に発現した無秩序な振動状態の強度と強い相関をもつことが判明した。これらの解析結果は、結晶構造の乱れ、特にSiO2/Si界面付近の格子配置の乱れが、低エネルギーの振動状態を無秩序に誘起し、それがκの特殊な振る舞いの物理的起源になっていることを意味している。本研究は、次世代Siナノデバイスの性能を最適化するためにはまずSiナノ結晶の結晶性を把握することが必須であるという工学応用上重要な知見を提供している。

这项研究的目的是阐明氧化绝缘膜（SIO2）的存在对原子水平的Si纳米结构中声子和载体的行为的影响，并在考虑热行为的情况下获得改善设备性能的设计指南。截至去年，已经阐明了用SiO2膜覆盖的Si纳米晶体的语音 - 能量分散关系，并且已经阐明了氧化诱导的界面粗糙度对电导率的影响。今年，我们使用分子动力学（MD）方法分析了氧化物涂层罪的能量分散和kappa，以研究Kappa下降的基本起源。相关性揭示了在原子水平上kappa下降的物理来源。当分析κ对κ氧化物厚度的依赖性时，发现SIOW的κ随SIO2厚度的增加而降低。还发现，通过MD计算获得的κ降低不能简单地用Si和Sio2的横截面面积比（占据了横截面）。然后，我们研究了κ与声子之间的能量分散关系之间的关系，并发现SIO2膜引起的无序振动状态的强度与κ降低量之间存在很强的相关性。无序振动状态被认为是SIO2/SI接口附近的晶格布置中Si原子的振动成分。为了进一步阐明氧化诱导的振荡状态对κ的影响，进一步分析了声音子和κ的状态密度（VDOS）之间的相关性，表明κ的下降与与VDOS面积相比，与新颖，无序振荡状态的强度相关性。这些分析结果表明，晶体结构的干扰，尤其是SIO2/SI界面附近的晶格布置的干扰，导致诱导低能量振动状态，这是κ特殊行为的物理起源。这项研究为工程应用提供了重要的知识，即首先掌握Si纳米晶体的结晶度，以优化下一代Si Nanodevices的性能。

项目成果

Impact of Surface Roughness on Thermoelectric Properties of Silicon Nanotubes

表面粗糙度对硅纳米管热电性能的影响

• 发表时间: 2014
• 作者: T. Zushi;A. Cresti;and M. Pala;K. Yamada;and T. Watanabe
• 通讯作者: and T. Watanabe