研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

野村 政宏

東京大学 生産技術研究所 マイクロナノ学際研究センター准教授

周期的ナノ構造を用いた
熱フォノニクスの開拓
ナノスケールフォノン輸送の物理に立脚したより高度な熱制御研究の背景ある。ナノスケールで見ると、フォノンは次

図2フォノンの波動性を積極利用すると、「 孔をあけて熱を通しやすくする」という直観に反する物理も実現できる。薄膜とPnCについて計算した（a）2 Kおよび（b）0.4 Kのときの熱流束スペクトル。の衝突までに進む間は弾道的に移動してエレクトロニクスとフォトニクスは、ナノテクおり、その距離を平均自由行程と呼ぶ。平ノロジーを積極的に活用することにより、一均自由行程よりも小さい系では、図1（ a）の量子操作すら可能なまでに高度な発展を遂ように構造界面を感じて移動する。特に、げた。一方、熱は産業革命前後からマクロコヒーレンスが保たれるスケールの周期的な熱の取り扱いには長けるが、ナノの領域構造（フォノニック結晶）
では、その周期性に踏み込んだのは90年代になってからであに起因するブラッグ回折によって輸送特性る。ナノ構造を積極的に利用することで格が大きく変化する。本研究では、図1（ b）に子振動の量子であるフォノンの輸送を制御示すような厚さ150 nmのシリコン薄膜にする「フォノンエンジニアリング」により、高度半径100 nm程度の円孔を周期配列したな熱制御を目指す取り組みがなされている。

構造をエアブリッジ化した二次元フォノニッ

熱伝導のほぼ全てがフォノンの粒子的描像

ク結晶中の熱伝導についてシミュレーショで記述できるが、フォノンは波動性を有するンおよび実験を行っている。

ため、原理的には位相を考慮した波動的取機械特性が周期的に変化するフォノニッり扱いが可能なはずであり、実現すれば熱ク結晶中では、フォノンに対するバンドが形できる。

制御に新しい選択肢をもたらすことが期待成され、輸送特性が大きく変化する。この熱は散逸が激しいためナノ構造の熱伝される。我々は、様々なエネルギーをもつフォフォノンバンドエンジニアリングは、波動性導率測定は容易ではない。一般には電気ノンの集団輸送である熱伝導を、フォノンのに起因する多様な物理を提供する。
その一的測定法が用いられ、測定対象を挟む配波動性に基づいて制御する熱フォノニクス

例としてフォノニックブースト効果を紹介す

置でマイクロヒーターとセンサーを備えた構分野に関する研究を行っている。

る（図2）。
シリコン薄膜とそれに孔を多数あ造を形成し、両持ち梁構造にして熱コンダけた多孔膜を比較すると、通常は当然孔のクタンスを測定する。真空チャンバー中であいていない薄膜の方がよく熱を通す。
しかの電気測定は、1チップあたり数個に限らし、100 nm程度の非常に細かい周期をもれてしまう。様々に設計パラメータを振った研究の成果
熱伝導はフォノンがお互いに衝突を行つフォノニック結晶を用意して極低温に冷系統的な測定を行うためには、スループットいながら温度の低い方へ拡散する現象でやすと、薄膜よりも熱を多く通す状態を実現の高い新しい測定法の開発が必要であっ

図1 （a）（b）

ナノ構造ではフォノンの弾道性が顕著となり、理想的な系では格子振動の波動性に基づく特殊な熱伝導となる。

作製したシリコンフォノニック結晶ナノ構造の走査型電子顕微鏡写真。

丸文研究奨励賞 受賞者

図3（a）開発した光を用いたナノ構造熱伝導率測定システムの概略図と測定原理。非接触測定のため、一度に多数の構造を測定できる。

（b）フォノンの波動性を利用した熱伝導制御。完全結晶では干渉効果によってフォノンの群速度が低下し、熱伝導が抑制される。

たため、図3（ a）に示す非接触でスループッフォノニック結晶ナノ構造と、円孔の大きことが科学の重要テーマのひとつであり、トの高い光学測定法を開発した。サーモリさを変えずに位置だけランダムにずらしたエレクトロニクス社会の更なる発展につなフレクタンス法をナノ構造測定に応用した構造を複数用意して熱散逸時間を比較しがると考えている。光学において、波動光手法で、1チップに1万個程度の構造を形た[（図3（ b）]。室温では熱散逸時間に位学が光の波動的性質を利用することで幾成でき、電気的測定法よりも2桁以上高い置ずれ量依存性はみられない。これは、高何光学よりもはるかに豊かな物理と高度スループットを実現している。測定原理は、温になるほどフォノン-フォノン散乱が激しな技術を提供したように、熱フォノニクスは光パルスを集光してマイクロアルミパッドをくなるため、波動性が保たれるコヒーレン

熱マネジメントに新しい方向性もたらす可加熱し、その温度変化を反射率変化としてス長が短くなり、波動的な性質を観測しに能性を秘めているのではないかと期待して同軸の連続光レーザで読み取る。熱散逸

くい。
しかし、4 K程度まで冷却すると完全いる。ナノスケール熱伝導の理解を深め

チャネルは測定対象のみであるため、その結晶に近づくにつれて、周期的ナノ構造

熱制御技術を高めることは、広い分野に熱伝導率が熱散逸時間に反映される。こによる群速度低減効果が顕著になり、熱波及効果がある。熱電変換によるスマートの高速測定法が本研究の強力なツールと伝導率が低下して熱散逸時間が長くなる社会の構築や、光・電子デバイスが抱えるなっている。

ことが明確に観測された。これは、フォノン放熱問題を緩和し、さらなる高性能化を可フォノンの波動性を使った熱伝導制御の波動性を利用した熱制御が可能なこと能にするなど様々な応用が考えられ、今世のコンセプトは長年存在するが、実証は容を明確に示すデータであり、熱制御を粒子紀の重要なテクノロジーのひとつになると易ではない。周期的ナノ構造ではフォノン的描像の領域から波動的描像の領域に考える。の群速度が著しく低減するため、熱伝導拡張したマイルストーン的成果と位置付け率の低下が期待できる。
しかし、ナノ加工られる。

本研究は、東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構のご支援をはじめ、多くの共同研究者や学生と行ったものでによって形成された新たな界面も強い表面フォノン散乱によって熱伝導率の低下を引き起こすため、両者を切り分けられない。そこで、我々は完全な周期性を有する将来の展望あり、深く感謝申し上げる。この受賞を励今世紀は「光や電気のように熱を扱う」する所存である。

みとし、本研究および分野の発展に尽力

References（参考文献 ）【1】M. Nomura, J. Nakagawa, K. Sawano, J. Maire, and S. Volz, Appl. Phys. Lett. 109, 173104（2016）.
【2】M. Nomura, Materials Transactions 57, 555（2016）.
【3】R. Anufriev and M. Nomura, Phys. Rev. B. 93, 045410（2016）.
【4】R. Anufriev, J. Maire and M. Nomura, Phys. Rev. B, 93 045411（2016）.
【5】R. Anufriev and M. Nomura, Phys. Rev. B. 91, 245417（2015）.
【6】J. Nakagawa, Y. Kage, T. Hori, J. Shiomi, and M. Nomura, Appl. Phys. Lett. 107, 023104（2015）.
【7】M. Nomura, Y. Kage, D. Muller, D. Moser, and O. Paul, Appl. Phys. Lett. 106, 223106（2015）.
【8】M. Nomura, Y. Kage, J. Nakagawa, T. Hori, J. Maire, J. Shiomi, R. Anufriev, D. Moser, and O. Paul, Phys. Rev. B 91, 205422（2015）.
【9】M. Nomura, J. Nakagawa, Y. Kage, J. Maire, D. Moser, and O. Paul, Appl. Phys. Lett. 106, 143102（2015）.
【10】M. Nomura, N. Kumagai, S. Iwamoto, Y. Ota, and Y. Arakawa, Nature Physics 6, 279（2010）.