ナノスケール異種材料界面制御による熱マネジメント基盤の構築

本研究の目的は、様々な薄膜積層材料間の接合部の熱抵抗の決定要因を、大規模分子動力学シミュレーションとナノスケール構造分析、微小熱電素子の熱電性能評価を駆使して解明することである。分子動力学シミュレーションに関して、今年度は、アモルファスのAl2O3とアモルファスのSiO2の界面を取り上げ、界面近傍の欠陥分布と熱抵抗の関係を調査した。界面近傍に空孔型欠陥が分布している空孔分布型モデルと、接合部が狭窄した狭窄界面型モデルの2種類の界面の熱抵抗を比較したところ、界面付近の原子数がそろっている場合は両モデルに有意な差がみられないことが判明した。このことから、少なくともアモルファス酸化物同士の界面熱抵抗は、空孔の分布には影響されず、界面近傍の原子密度でほぼ決まることが判明した。微小熱電素子を用いた薄膜積層材料の熱電性能評価に関しては、素子内部に熱を局所注入するヒートガイド層の厚さを500nmと900nmとした２種類の多段集積熱電デバイスを作製し、熱電性能を評価した。その結果、900nmのヒートガイド層を有するデバイスが約3倍程度高い発電性能を示すことが判明した。これはシミュレーションによる事前の予想よりも大きな向上率であり、厚さ以外の別の要因も含まれると考えられる。また、UVラマン分光を用いた絶縁膜-Si薄膜界面近傍の熱伝導特性評価にも取り組んだ。厚さ70nmのSi結晶層の上に５種類の絶縁膜を30nm積層させて比較したところ、レーザー照射によるSi結晶層のラマンスペクトルのシフト量が試料毎に異なることを見出した。さらに、金属配線と有機スピンオングラス(SOG)の界面熱抵抗の調査も行い、メチル基含有量が多い有機SOG材料の方が高い界面熱抵抗を示すことを明らかにした。界面のメチル基含有量が多いほど、金属との結合が弱まり、界面熱抵抗が高くなったと考えることができる。

本研究の目的は、様々な薄膜積層材料間の接合部の熱抵抗の決定要因を、大規模分子動力学シミュレーションとナノスケール構造分析、微小熱電素子の熱電性能評価を駆使して解明することである。分子動力学シミュレーションに関して、今年度は、アモルファスのAl2O3とアモルファスのSiO2の界面を取り上げ、界面近傍の欠陥分布と熱抵抗の関係を調査した。界面近傍に空孔型欠陥が分布している空孔分布型モデルと、接合部が狭窄した狭窄界面型モデルの2種類の界面の熱抵抗を比較したところ、界面付近の原子数がそろっている場合は両モデルに有意な差がみられないことが判明した。このことから、少なくともアモルファス酸化物同士の界面熱抵抗は、空孔の分布には影響されず、界面近傍の原子密度でほぼ決まることが判明した。微小熱電素子を用いた薄膜積層材料の熱電性能評価に関しては、素子内部に熱を局所注入するヒートガイド層の厚さを500nmと900nmとした２種類の多段集積熱電デバイスを作製し、熱電性能を評価した。その結果、900nmのヒートガイド層を有するデバイスが約3倍程度高い発電性能を示すことが判明した。これはシミュレーションによる事前の予想よりも大きな向上率であり、厚さ以外の別の要因も含まれると考えられる。また、UVラマン分光を用いた絶縁膜-Si薄膜界面近傍の熱伝導特性評価にも取り組んだ。厚さ70nmのSi結晶層の上に５種類の絶縁膜を30nm積層させて比較したところ、レーザー照射によるSi結晶層のラマンスペクトルのシフト量が試料毎に異なることを見出した。さらに、金属配線と有機スピンオングラス(SOG)の界面熱抵抗の調査も行い、メチル基含有量が多い有機SOG材料の方が高い界面熱抵抗を示すことを明らかにした。界面のメチル基含有量が多いほど、金属との結合が弱まり、界面熱抵抗が高くなったと考えることができる。