Heat Transfer Measurement on Nanogap -Investigation of Transition from Radiation to Heat Conduction

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本研究ではMEMSデバイスを用い、ナノスケールの空間において伝熱が放射から熱伝導に遷移する領域を実験的に測定します。単結晶シリコンの(111)面を真空中でへき開破壊することで、数μm角の平行平滑なナノギャップを創製し、これを数nm以下の分解能で間隔を制御しようというものです。その伝熱測定には精密な局所温度測定が必要であり、顕微ラマン分光、サーモリフレクタンスを用いて、0.1K以下の分解能を実現します。これらにより固体接触面における伝熱現象という基本的でありながらいまだに明らかでない現象を解明し、様々な機械・構造における熱エネルギーの効率的な利用に応用します。MEMSナノギャップ創製デバイスはSOIウエハのデバイス層（厚さ5μm）に形成し、デバイス層の面方位は(110)で、へき開面は(111)面です。デバイスを固定する治具に組み込んだ圧電アクチュエータを駆動し、シャトル部に引張荷重を印加、へき開で分割してギャップを創製しました。この際、シャトル部を櫛歯型静電アクチュエータ駆動してへき開後のギャップの間隔を変化し、変位を平行平板型静電容量センサで計測し、ナノメートルの変位分解能を実現しました。伝熱測定については、可動部を通電により最高100K程度まで加熱し、ギャップの両端の温度を測定しています。これらを真空チャンバー中で行い、真空下かつ顕微鏡観察下での計測を進めています。研究分担者が担当するサーモリフレクタンスでは昨年度に引き続きマイクロスケール空間分解能を持つ非接触温度計測技術について検討しました。バランス型光検出器とロックインアンプを用いたレーザー光学系の基本設計が完成し，目標とする温度計測精度（0.1K）を確認しました。さらに数種の金属薄膜で実験を行った結果、理論値と同様の傾向を示す反射光強度の温度変化依存性が認められ、開発した計測技術の妥当性を確認しています。