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リサーチトピックス

将来、複数の量子のハイブリッド状態が新たな物理現象や高機能・高性能デバイスを実現するとの期待から、「量子融合エレクトロニクス」と名付けた分野を開拓することを目指しています。最近では、特にフォノンエンジニアリングに注力し、ナノスケールのフォノン・熱輸送の物理と制御技術開発を行っています。また、産学連携により、高効率なシリコン熱電発電デバイスの開発を行っています。本研究は、エネルギー持続社会とスマート社会化に大きく貢献が期待され、JSTの戦略的創造研究推進事業などの複数の大型プロジェクトにより推進されています。最近の研究内容をまとめた解説記事はこちらから。

Keywords: フォノンエンジニアリング, 熱フォノニクス, フォノニック結晶, 熱電変換, 環境発電, エネルギーハーベスティング, オプトメカニクス

熱電環境発電によるモニタリングシステム開発 ~エネルギーハーベスティング~

※ 関連資料:革新的熱技術に関するワークショップ報告書(JST)

人類が作り出した電力の半分以上が廃熱として捨てられており、社会のエネルギー利用効率を高めるために、未利用熱を有効利用する熱電環境発電が注目されています。未利用熱はいたるところにあるため、熱電変換デバイスを搭載したセンサーノードを実現することで、社会に膨大な数のエネルギー自立型センサーを設置でき、スマート社会化に必須な物理空間とサイバー空間をつなぐ機能を担うことができます。

本研究室では、低環境負荷なシリコンを材料に選択し、ナノ加工を施すことで熱電変換能を飛躍的に高める研究を進め、高効率な熱電変換材料に昇華させるべく研究を展開しています。熱フォノンの平均自由行程スペクトルを考慮した材料設計を行うことにより、高効率な熱伝導制御を実現しています。現在、ドイツのフライブルク大学や多数の企業と共同研究を行っており、マイクロマシン技術を用いてインチスケールのナノ加工シリコン熱電変換デバイスの作製を進めています。この国際共同研究は、新しいデバイス応用として日経産業新聞で報道されました。

Fig. 1. シリコン熱電発電デバイスによるエネルギーハーベスティング
Fig. 1. シリコン熱電発電デバイスによるエネルギーハーベスティング

※ 参考文献:

  1. A. George, R. Yanagisawa, R. Anufriev, J. He, N. Yoshie, N. Tsujii, Q. Guo, T. Mori, S. Volz, and M. Nomura, "Thermoelectric enhancement of silicon membranes by ultrathin amorphous films," ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 12027 (2019).
  2. M. Nomura, Y. Kage, D. Muller, D. Moser, and O. Paul, “Electrical and thermal properties of polycrystalline Si thin films with phononic crystal nanopatterning for thermoelectric applications,” Appl. Phys. Lett. 106, 223106 (2015).

ナノスケール熱伝導の物理と熱流制御技術 ~フォノンエンジニアリング~

※ 解説記事:フォノニック結晶による熱伝導制御と熱電変換応用

※ 招待レビュー論文: Thermal phonon engineering by tailored nanostructures

熱伝導の人工制御は、熱電変換材料開発の極めて重要な技術要素であるとともに基礎物理としても非常におもしろいトピックです。半導体ではフォノン(格子振動の量子)が熱伝導を担っており、その伝播を制御することで、本来材料固有であるはずの熱伝導率を制御することが可能になります。当研究室では、ナノスケールで顕著に発現するフォノンの弾道性と波動性を利用した弾道フォノニクスと熱フォノニクスを研究しています。

フォノンの平均自由行程と系が同程度の小さな世界では、フーリエ則が成り立たず、フォノンが本来有する波動的性質や弾道的な性質を考慮する必要があります。シリコンに100 nm程度の微細な空孔を設けた周期構造(フォノニック結晶ナノ構造)を作製すると、フォノン伝導に著しい変化を与えることができます。本研究室では、パルスレーザなどを用いた独自開発のマイクロ時間領域熱反射測定法によってナノスケールで現れる特徴的な熱伝導の物理を観測しています(図2)。光で非接触にナノ構造の熱伝導率を測定可能なこのシステムは、一般的な電気的測定法に比べ、桁違いのスループットを有しており、高精度の熱伝導率測定を可能にしています。フォノンの弾道性を利用し、世界で初めて指向性を持った熱流の実証実験に成功し、固体集熱も実現され、新聞報道がなされました。本成果は、固体における熱伝導制御の自由度を高め、放熱問題の課題解決に役立つことが期待できます。

Fig. 2. 高速熱伝導率測定システムと高度な熱伝導制御を可能にするナノ構造
Fig. 2. 高速熱伝導率測定システムと高度な熱伝導制御を可能にするナノ構造

※ 参考文献:

  1. R. Anufriev, S. Gluchko, S. Volz, and M. Nomura, "Quasi-ballistic heat conduction due to levy phonon flights in silicon nanowires,"ACS Nano 12, 11928–11935 (2018).
  2. R. Anufriev, A. Ramiere, J. Maire, and M. Nomura, “Heat guiding and focusing using ballistic phonon transport in phononic nanostructures,” Nature Communications 8, 15505 (2017).
  3. M. Nomura, “Near-field radiative heat transfer: The heat through the gap,” Nature Nanotechnology 11, 496 (2016).

熱フォノニクス

系のサイズがフォノンのコヒーレント長と同等になると、格子振動が本来有する波動的性質を考慮した熱伝導解析が重要になります。当研究室では、フォノニック結晶構造によるフォノンの波動性を積極利用した伝熱制御を目指すとともに、未知の部分が多い熱フォノニクスに関する理論研究を行っています。熱フォノニクスを用いると、フォノンがもつ波の性質を積極的に利用することで、直観に反する物理も実現することが可能になります。フォノニック結晶が持つ完全な周期性に揺らぎを加えることで、熱伝導率を大きく変化させられることが可能なことを世界で初めて実証しました(図3)。この成果は、熱本来が持つ波動的性質を使った伝熱制御法として、伝熱工学の領域を広げるもので、新聞報道がなされました。当研究室は、国内の熱フォノニクス研究の先駆けであり、その先進的な取り組みは応用物理学会の図解:応用物理学会の未来予測 で取り上げられています。

Fig. 3. 人工結晶およびアモルファス構造. 熱の波動性を用いた熱伝導制御の実証を可能にした.
Fig. 3. 人工結晶およびアモルファス構造. 熱の波動性を用いた熱伝導制御の実証を可能にした.

※ 参考文献:

  1. J. Maire, R. Anufriev, A. Ramiere, R. Yanagisawa, S. Volz, and M. Nomura, “Heat conduction tuning by wave nature of phonons,” Science Advances 3, e1700027 (2017) .
  2. R. Anufriev and M. Nomura, “Reduction of thermal conductance by coherent phonon scattering in two-dimensional phononic crystals of differnt lattice types,” Phys. Rev. B. 93, 045410 (2016)..
  3. R. Anufriev and M. Nomura, “Thermal conductance boost in phononic crystal nanostructures,”Phys. Rev. B. 91, 245417 (2015)..

オプトメカニクス系の物理と応用 〜光で半導体ナノ構造の動きを制御する〜

※ 解説記事:応用物理学会機関誌の解説記事

ナノスケールの物理系においては、光子のもつ運動量や光勾配力も構造に無視できない影響を与えます。したがって、光をうまく利用すれば、非接触で物体の運動を制御することが可能になります。我々は、半導体ナノ構造の高効率な運動光制御を目的として、機械特性の良い 半導体を材料に選択し、フォトニック結晶ナノ共振器に光を強く閉じ込めることで格段に増強された光とナノ構造機械振動間の結合の観測を行っています。フォトニック結晶ナノ共振器は、光をその回折限界程度に迫る小さな領域に閉じ込めることができるため、光強度が自由空間よりも格段に高くなるため、小さい光パワーでの物体運動制御が可能になります。

Fig. 4. 物理シミュレータによるデバイス設計と性能評価
Fig. 4. 物理シミュレータによるデバイス設計と性能評価

このオプトメカニカルデバイスはシミュレーションによって波長1.5 um帯に共鳴波長をもつフォトニック結晶ナノ共振器を作製することで、極めて強い光と機械振動の相互作用を実現することができます。光とナノ構造の振る舞いの結びつきを積極的に用いることで新しいアイデアに基づいた融合系ならではのユニークなデバイスの実現に取り組んでいます。

※ 参考文献:

  1. W. Shimizu, N. Naomi, K. Kohno, K. Hirakawa, and M. Nomura, “Waveguide coupled air-slot photonic crystal nanocavity for optomechanics,” Opt. Express, 21, 21961-21969 (2013).
  2. M. Nomura, “GaAs-based air-slot photonic crystal nanocavity for optomechanical oscillators," Optics Express, 20, 5204-5212 (2012).