金属・半導体界面による電気伝導率に独立した熱伝導率制御

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「電気伝導に独立した熱伝導制御」を目的とする本研究は金属・絶縁体超格子の熱伝導率の計測・計算データに基づくメカニズム解明及び制御手法の確立の順に行われている．詳細な実施計画は，①時間領域サーモリフレクタンス（Time-Domain Thermoreflectance: TDTR）法による計測，②第一原理計算（Density Functional Theory: DFT, Density Functional Perturbation Theory: DFPT）と二温度モデルを用いた熱伝導率計算，③κ-C(熱伝導率，体積比熱)同時計測法，３ω法による計測精度向上，④低温環境における熱伝導率計測，⑤モンテカルロ（Monte Carlo: MC）法による周波数依存性熱伝導率計算といった５つのフェーズで構成されている．現在はフェーズ①が終了し，フェーズ②と③が並列進行中である．フェーズ①においてTa/MgO, AuSi/MgOの２タイプの超格子について金属層の厚さ変化に伴い超格子全体の熱伝導率が変化することが分かった．また，その因果関係が金属層内の電子・フォノン間の非平衡熱輸送のサイズ依存性にあると予想されている．詳細には，金属層の厚さが薄くなると電子・フォノン間のエネルギー交換が不十分な状態になり，金属層内電子による熱伝導が抑制されるためである．すなわち，金属層の厚さ変化により電子・フォノン間のエネルギー交換の程度が決まり，金属層が厚い際は電子も熱伝導に十分寄与することで超格子全体の熱伝導率が高くなる一方，金属層が薄ければ電子の寄与が少なくなり超格子全体の熱伝導率は低下する．この結果は，従来，電子の高い伝導性により熱電変換材料としては不適合とされていた金属の熱電材料としての活用可能性とフォノンエンジニアリングにおける熱伝導制御において新たなアプローチを提示できると予想される．