表面・界面局在フォノンエンジニアリングによる熱伝導制御

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シリコン極薄膜の熱伝導向上は集積回路の集積密度に重要な意味を持つため，本研究では表面フォノン散乱という従来着目されていなかった観点からこれの実現に取り組んだ．まず，予備研究としてより高い表面密度を持つ二次元フォノニック結晶(PnC)の熱伝導解析を行い，PnCにおいても表面フォノン散乱が熱伝導を抑制していること，またPnC中の表面フォノンの周波数を変えることによって表面フォノン散乱を低減し，PnC熱伝導率の向上が可能であることを確かめ，学会発表を行った(第59回日本伝熱シンポジウム)．また，先行研究で表面フォノン散乱の存在が確認されたのは表面が完全に滑らかな薄膜であり，現実に存在する粗さを持つ薄膜では熱伝導低下は従来フォノンの境界散乱に基づき理解されてきた．しかしこれはフォノンの表面における弾性散乱をモデル化したものであり，フォノンの非調和性を考慮できていないという問題がある．そこで粗さを持つ薄膜の熱伝導率を非調和性を直接考慮した解析手法である格子動力学法を用いて計算した．その結果，粗さを持つ薄膜でも表面フォノンが存在すること，また粗さに由来する弾性散乱が引き起こす群速度の低下に加えて，非調和性に由来する緩和時間の低下も熱伝導率低下に強く寄与しており，加えて後者では実際に表面フォノン散乱が大きく寄与していることが確認できた．よって今後両者の知見を活かし，表面フォノンの周波数を表面修飾等によって変化させ，粗さを持つ薄膜の熱伝導率向上を狙っていく予定である．