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

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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。