Wave phonon engineering based on monolayer NEMS functionalized using sub-nanometer ion beam

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本年度は、ナノ孔エッジでのフォノン散乱とナノ孔間でのフォノン局在の影響を調べるため、従来の極小孔ナノメッシュ（円形ナノ孔の直径3 ～ 6 nm）よりも大きな正方形（□型）の孔を電子線直接描画（EB）で形成した非対称チャネル構造を採用した。Si/SiO2基板上にEBでグラフェンを長さ0.5 um、幅1.2 umの長方形チャネルに加工し、チャネル幅方向に□型孔を一列に形成した後、ＢＨＦエッチングとCO2超臨界乾燥法でチャネルを宙吊りにする作製プロセスを新たに開発した。真性グラフェン中のフォノン平均自由行程～0.775 umに対して、チャネル長を0.5 umとすることで、チャネル内のフォノン輸送が準バリスティック輸送となるように設計している。□型孔は寸法100 nm、間隔150 nmとし、チャネル中央から50 nmオフセットした位置に４個の□型孔列として形成し、非対称チャネル構造を完成した。このチャネルの両端にオーミック接続する４端子電極を作製し、独自のDifferential Thermal Leakage計測法を用いることで、同一素子を用いた電気伝導特性と熱伝導特性評価を実施した。まず、作製した全ての非対称□型孔列チャネルに対して、電圧の極性を入れ替えても電気伝導特性に非対称性はみられないことを確認した。その上で、４端子電極のヒーターと熱シンクを入れ替える方法で、熱バイアスの極性を切り替えて熱伝導特性を環境温度100 K～300 Kで評価したところ、100 Kで82%、150 Kで73%、200 Kで67%の熱整流率を得ることに成功した。200 Kより高温では熱整流作用が急激に減少し、250 Kで16%、300 Kでは消失した。この結果は、R3年度で得られたハーフナノメッシュチャネル構造、および台形型チャネル構造に対する結果と同様の温度依存性である。