ナノギャップを伝わる伝熱機構の解明～輻射か伝導か？～

マイクロヒーターとマイクロ熱センサーを集積したデバイスを作製し、10 μmのギャップを介して面内方向に並べ、真空中での熱輸送計測を行った。デバイス作製については、表面フォノンポラリトンを誘起するためSiO2/Si/SiO2の3層膜構造を有するマイクロヒーターとマイクロセンサーを作製した。酸化膜は30-200 nmと暑さを変化させ、酸化膜による影響を調べるため、Siのみのデバイスも作製した。熱測定については、交流信号を用いる3ω法と、ホイートストンブリッジ法を組み合わせた高精度な系を組み立てた。ヒーター側では、マイクロヒーターに1ωで振動する電流を入力し、2ωで振動する温度変化に伴い変化する電気抵抗と、1ωで振動する入力電流との掛け合わせで生成される 3ω成分をロックイン抽出し、マイクロヒーターの温度上昇を算出する。センサー側においては、微小電流を流すことで、ヒーターから伝わる2ωの温度変化に伴う電気抵抗の変化をホイートストンブリッジとロックインアンプで抽出し、マイクロセンサーの温度上昇を算出す る。ヒーターおよびセンサーの温度上昇と入力電力から、ギャップの熱コンダクタンスを求めた。シリコンのみのデバイスについてギャップのコンダクタンスを計測したところ、従来のプランク則に従う値が得られたが、3層構造についてギャップコンダクタンスはシリコンのみの場合より約2倍の値を示し、黒体輻射限界をも上回る結果となった。表面フォノンポラリトンのエネルギー分布をシミュレーションにより分析すると、酸化膜で励起された表面フォノンポラリトンは非吸収体であるSi内を主に伝播し、面内方向に放出されることがわかった。そのため、黒体輻射限界を超える高効率なエネルギー交換が可能となったのだと考える。

マイクロヒーターとマイクロ熱センサーを集積したデバイスを作製し、10 μmのギャップを介して面内方向に並べ、真空中での熱輸送計測を行った。デバイス作製については、表面フォノンポラリトンを誘起するためSiO2/Si/SiO2の3層膜構造を有するマイクロヒーターとマイクロセンサーを作製した。酸化膜は30-200 nmと暑さを変化させ、酸化膜による影響を調べるため、Siのみのデバイスも作製した。熱測定については、交流信号を用いる3ω法と、ホイートストンブリッジ法を組み合わせた高精度な系を組み立てた。ヒーター側では、マイクロヒーターに1ωで振動する電流を入力し、2ωで振動する温度変化に伴い変化する電気抵抗と、1ωで振動する入力電流との掛け合わせで生成される 3ω成分をロックイン抽出し、マイクロヒーターの温度上昇を算出する。センサー側においては、微小電流を流すことで、ヒーターから伝わる2ωの温度変化に伴う電気抵抗の変化をホイートストンブリッジとロックインアンプで抽出し、マイクロセンサーの温度上昇を算出す る。ヒーターおよびセンサーの温度上昇と入力電力から、ギャップの熱コンダクタンスを求めた。シリコンのみのデバイスについてギャップのコンダクタンスを計測したところ、従来のプランク則に従う値が得られたが、3層構造についてギャップコンダクタンスはシリコンのみの場合より約2倍の値を示し、黒体輻射限界をも上回る結果となった。表面フォノンポラリトンのエネルギー分布をシミュレーションにより分析すると、酸化膜で励起された表面フォノンポラリトンは非吸収体であるSi内を主に伝播し、面内方向に放出されることがわかった。そのため、黒体輻射限界を超える高効率なエネルギー交換が可能となったのだと考える。