ナノ材料の生成機構を科学する温度制御デバイスの開発

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ナノスケールでの温度や熱流束の空間分布制御を実現するために、電子線リソグラフィー法を用いて、100ナノメートルオーダーのヒーターおよびセンサーを100ナノメートルオーダーの間隔で製作することに成功した。また同時に、ナノスケールの熱デバイスの取り扱い方法も確立した。理論的に、このオーダーではMEMS技術でよく用いられる膜構造や架橋構造さえも悪影響があることがわかっているため、本研究では金属細線を完全に浮かした状態のヒーターおよびセンサーを開発した。これにより、ナノスケールの加熱と計測を同時に精密に行うことを可能にしたことになる。ヒーターおよびセンサーとなる材料としては白金を用いて、リフトオフ法とドライエッチング、ウエットエッチングを組み合わせて、基板からは完全に浮いていながら互いには近接したデバイスを実現した。この熱制御デバイスの有効性を、マイクロチャンネルを用いた実験で確認した。例えば、ガスに対しても十分熱流速を与えられること、1ミクロン程度の距離があれば基板に熱が散逸するために温度上昇は見られないことなどが明らかになった。また、DSMC法を用いて、このナノスケールの熱流体現象をシミュレーションした。伝熱量はクヌーセン数に強く依存することや、壁面の熱伝導率が温度分布に与える影響について明らかにすることができた。これらのシミュレーション結果はナノデバイスを使った実験結果とも良く一致していた。これらの製造技術とシミュレーション技術の確立によって、ナノスケールの温度制御技術を大きく向上させることができた。