光ヘテロダイン光熱変換法によるナノピラー複合材料の熱物性評価と熱電素子応用

光外差光热转换方法评价纳米柱复合材料热物理性能及热电器件应用

• 批准号: 22KJ2523
• 负责人: 原田 知季
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: University of Miyazaki
• 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 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2523/
• 关键词: 光熱変換測定; 非発光再結合; キャリアライフタイム; マッピング測定; 熱伝導率測定

今年度はSi-NP(ナノピラー)/SiGe複合膜の評価を実施した。熱伝導と電気伝導のナノ構造のサイズによる変化について知見を得るため、ナノピラー(NP)間隔を変化させた複合膜を用意した。直径13 nm、高さ100 nm のNPを13、27および47 nmの間隔で作製した。複合膜の熱伝導率は3オメガ法により、面内、面直方向ともにNP間隔が狭いほど小さい結果が得られた。これは、NPがフォノンを散乱させたためである。前年度に光ヘテロダイン光熱変位(LH-PD)法の装置の構築と、数値計算を実施し、LH-PD信号には、光吸収係数、キャリア移動度、キャリアライフタイム、バンドギャップ、熱拡散率、ヤング率、ポアソン比、線膨張係数といった様々な物性値が関係することがわかっている。そのため、複合膜の電気伝導に関わるキャリア物性をLH-PD法で評価するには工夫が必要である。2つの実験を実施した。1つ目は複合膜にそのまま励起光を照射した測定、2つ目は複合膜表面の一部にAl膜を形成し、Alに励起光を照射した測定である。1つ目の測定では、複合膜に光励起キャリアが生じ、拡散し再結合する際に生じた熱による膨張がLH-PD信号となる。2つ目の測定では、Alが光吸収して発熱し、複合膜へ熱伝導した結果として信号が得られる。2つの測定結果を比較することで、多くの物性のうち、光吸収、キャリア移動度およびキャリアライフタイムとそれ以外の物性値の切り分けが可能になった。数値計算との比較から、NP間隔27 nmのとき、キャリアライフタイムが長いことがわかった。キャリアライフタイムはキャリアの拡散長に関係し、長いほど電気伝導に良いことが考えられる。熱電素子の性能は熱伝導率に反比例し、電気伝導率に比例するため、NP間隔27 nmの複合膜の性能が高い可能性があることがわかった。

今年，我们评估了Si-NP（纳米氏）/SIGE复合膜。为了深入了解由于纳米结构的尺寸而导致的热传导变化，制备了具有不同纳米（NP）间隔的复合膜。直径为13 nm和高度100 nm的NP以13、27和47 nm的间隔制造。复合膜的热导率是通过3-欧洲棒法获得的，因为在平面和平面方向上NP间隔都较窄。这是因为NP分散了声子。 The previous year, a device for the optical heterodyne photothermal displacement (LH-PD) method was constructed and numerical calculations were carried out, and it has been found that various physical properties such as optical absorption coefficient, carrier mobility, carrier lifetime, band gap, thermal diffusivity, Young's modulus, Poisson's ratio, and linear expansion coefficient are involved in the LH-PD signal.因此，有必要使用LH-PD方法评估与复合膜的电导率相关的载体性能。进行了两个实验。第一个是一个测量值，其中复合膜被激发光照射，第二个是在复合膜表面的一部分形成Al膜的测量结果，并用激发光照射Al。在第一个测量中，复合膜中产生了光激发载体，并且在扩散和重组时产生的热量引起的膨胀成为LH-PD信号。在第二个测量中，Al吸收光并产生热量，从而导致复合膜的热传导获得信号。通过比较两个测量结果，与许多其他物理特性以及许多其他物理特性相比，可以将光吸收，载体迁移率，载体寿命和其他物理特性分开。与数值计算的比较表明，当NP间隔为27 nm时，载体寿命长。载体寿命与载体扩散长度有关，并且认为载体越长，电导传导越好。由于热电元件的性能与导热率成反比，并且与电导率成反比，因此发现NP间隔为27 nm的复合膜的性能可能很高。

项目成果

Development of laser heterodyne photothermal displacement method for mapping carrier nonradiative recombination centers in semiconductors

开发用于绘制半导体载流子非辐射复合中心的激光外差光热位移方法

• DOI: 10.1063/5.0085041
• 发表时间: 2022
• 期刊: J. Appl. Phys.
• 作者: Tomoki Harada;Tetsuo Ikari and Atsuhiko Fukuyama
• 通讯作者: Tetsuo Ikari and Atsuhiko Fukuyama

Development of non-contact and non-destructive method for estimating the thermal properties by using the laser heterodyne photothermal displacement method

开发利用激光外差光热位移法非接触、无损评估热性能的方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 原田知季，安良田裕基，森田浩右，碇哲雄;福山敦彦
• 通讯作者: 福山敦彦

Defect mapping of metal contaminated Si wafers by a laser heterodyne photothermal displacement method

激光外差光热位移法金属污染硅片缺陷测绘

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomoki Harada;Kosuke Morita;Shogo Harada;Hiroki Ohyama; Tetsuo Ikari;and Atsuhiko Fukuyama
• 通讯作者: and Atsuhiko Fukuyama

ナノピラー間隔を変化させたSi-nanopillar/SiGe0.3複合膜の光ヘテロダイン光熱変位法によるキャリアライフタイム評価

采用光学外差光热位移法评估不同纳米柱间距的Si-纳米柱/SiGe0.3复合薄膜的载流子寿命

• 发表时间: 2023
• 作者: Tomoki Harada;Tetsuo Ikari and Atsuhiko Fukuyama;原田 知季，大堀 大介，遠藤 和彦，寒川 誠二，碇 哲雄，福山 敦彦
• 通讯作者: 原田 知季，大堀 大介，遠藤 和彦，寒川 誠二，碇 哲雄，福山 敦彦

Analysis of in-plane thermal conduction in Si-Nanopillar/SiGe composite films by laser heterodyne photothermal displacement signal and theoretical calculation

激光外差光热位移信号分析Si-纳米柱/SiGe复合薄膜面内热传导及理论计算

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroki Ohyama;Tomoki Harada;Kosuke Morita;Shogo Harada;Daisuke Ohori;Seiji Samukawa;Tetsuo Ikari;and Atsuhiko Fukuyama
• 通讯作者: and Atsuhiko Fukuyama