フォノンエンジニアリングと熱電変換応用

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リサーチトピックス

 半導体レーザや微小電気機械素子(MEMS)など、エレクトロニクス、フォトニクス、メカニクスの複合技術によるデバイスは、広く社会で用いられています。そして、半導体ナノ構造の導入によって量子効果に基づく新機能をそれらのデバイスに付与し、さらに高機能・高性能な次世代半導体デバイスの創出が可能になってきています。本研究室では、量子効果が顕著に現れる半導体ナノ構造をもつ、エレクトロニクス-フォトニクス-メカニクス融合系における特有の物理現象の探索を行い、量子物性制御型の新機能ナノデバイスの実現を目指して研究を進めています。現在、特にナノ構造にスケールダウンしたときにのみ可能になる現象を利用した、高効率なシリコン熱電発電デバイスの開発に力を入れた研究展開を行っています。熱フォノンをスペクトルの観点から伝搬制御するフォノンエンジニアリングを活用した材料設計を行っています。この技術を用いたデバイスの実現は、エネルギー問題の解決に資するだけでなく、スマート社会化に大きく貢献します。

 

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

エネルギー自立型デバイス用電源への展開 ~エネルギーハーベスター~

 

※ 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います。社会のエネルギー利用効率を高めようと、今ではほとんどすべての電気製品が省エネを意識していますが、高効率化を追求しても、どうしてもエネルギー損失は避けられず、そのほとんどは熱として環境に散逸します。熱電変換デバイスは、その低品位な廃熱を熱電変換によって高品位な電気エネルギーとしてリサイクルすることが可能であり、環境発電技術として注目を集めています。将来、老朽化が進む社会資本の構造劣化を察知し、事故を予防するための大規模なセンサーネットワークが構築されると考えられ、広域にセンサーノードを設置することになります。これらのセンサーは膨大な数にのぼるため、配線や電池による給電は利便性や経済性を考えると困難です。そこで、環境からエネルギーを取り込めるネルギーハーベスターの導入が不可欠となるわけですが、このエネルギーハーベスターがエネルギー自立型のマイクロデバイスを実現可能にします。エネルギー変換技術としては、光、熱、振動、電波をエネルギーに変える技術が存在し、我々は熱電変換の有用性に着目して研究を進めています。

 熱電変換デバイスは可動部がないため、ほとんど故障せずメンテナンスフリーという大きな利点があり、信頼性が重要な人工衛星や静音冷蔵庫などに使われています。しかし、多くの魅力的な利点があるにもかかわらず、変換効率と材料に課題を抱えているため、それほど社会に普及していません。現状では数%にとどまる熱電変換効率の向上が必要なことと、重元素を含む材料が用いられているため、長期的には環境負荷の低い材料に置き換えることが必要です。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。

 我々は、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Albert-Ludwigs-Universität Freiburg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、フォノニクスを用いた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。

シリコンフォノニクスに基づいた熱電発電デバイス実現を目指して

Fig. 1. シリコンフォノニクスに基づいた熱電発電デバイス実現を目指して

※ 参考文献:

1. M. Nomura, J. Nakagawa, K. Sawano, J. Maire, and S. Volz, “Thermal conduction in Si and SiGe phononic crystals explained by phonon mean free path spectrum,” Appl. Phys. Lett. 109, 173104 (2016).

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).

半導体ナノ構造による熱伝導率の人工制御 ~フォトンとフォノンのアナロジー~

 

※ 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

 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。熱伝導率は材料固有の値で、例シリコンならば室温で150 W/mKといったように決まっています。シリコンは人類が最も微細加工が得意な材料で、その技術は今や原子レベルにまで達しています。シリコンではフォノン(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、熱伝導を制御することが可能になります。例えば、ナノワイヤーを形成し、表面散乱を増加させたり、ナノコンポジットなどを材料中に形成することで界面散乱を増加させるフォノン輸送を阻害し、熱伝導率を低減させることができます。

 上記の手法に加え、シリコンに周期ナノ構造を形成することで熱伝導(フォノン伝導)を制御するフォノニクスに基づいた手法が注目を集めています。これは光伝播を屈折率の周期構造で制御するフォトニック結晶とのアナロジーで概念を理解することが可能です。大きなスケールでは、フーリエ則で記述されるように熱は拡散現象として取り扱い、粒子的な描像で理解します。スケールを小さくしてメソスケールに到達するとフォノンの平均自由行程と系が同程度になり、フォノンが本来有する波動的性質を考慮する必要があります。すなわち、そのような系ではバリスティックフォノン輸送が支配的で可干渉となるため、フーリエ則は成立しません。しかし、フォノニック結晶を用いたバンドエンジニアリングに基づく熱伝導制御はフォノンが何桁もの周波数領域に分散していることや周波数がテラヘルツに達するため容易ではありません。熱伝導を担うフォノンの波長は数nm程度と極めて短いため、伝熱制御に用いるためのフォノニック結晶はいかに微細構造化ができるかがポイントになります。

 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)を作製し、フォノンの伝導をコヒーレントに制御することで、熱電変換向上のカギである熱伝導制御を行っています。ナノ・マイクロスケールでの熱伝導は、日常のスケールとは異なる物理が支配する世界であり、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その特徴的な物理の観測を行っています(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。これまでに、幅数十nmのシリコンナノワイヤーやフォノニック結晶ナノ構造を作製し、熱伝導率を98%も低減することに成功しています。これによりシリコンの熱電変換能を大幅に向上させています。シリコン熱電変換デバイスは、マイクロエレクトロニクスとの整合性が高いため、環境からエネルギーを取り込んで機能するエネルギー自立型マイクロデバイスへの応用展開を行っています。

独自開発のマイクロ時間領域熱反射測定システムによるシリコンフォノニック結晶ナノ構造の熱伝導測定

Fig. 2. 独自開発のマイクロ時間領域熱反射測定システムによるシリコンフォノニック結晶ナノ構造の熱伝導測定

※ 参考文献:

1. J. Maire, R. Anufriev, and M. Nomura, “Ballistic thermal transport in silicon nanowires,” Scientific Reports 7, 41794 (2017).

2. R. Anufriev, J. Maire and M. Nomura, “Reduction of thermal conductivity by surface scattering of phonons in periodic silicon nanostructures,” Phys. Rev. B. 93, 045411 (2016).

3. J. Nakagawa, Y. Kage, T. Hori, J. Shiomi and M. Nomura, “Crystal structure dependent thermal conductivity in two-dimensional phononic crystal nanostructures,” Appl. Phys. Lett. 107, 023104 (2015).

4. M. Nomura, Y. Kage, J. Nakagawa, T. Hori, J. Maire J. Shiomi, R. Anufriev, D. Moser, O. Paul, “Impeded thermal transport in Si multiscale hierarchical architectures with phononic crystal nanostructures,” Phys. Rev. B 91, 205422 (2015).

フォノンエンジニアリングと熱フォノニクス

 固体中の伝熱現象は、フォノンとよばれる格子振動の量子の集団輸送現象です。フーリエ則が成り立つ「通常の」熱拡散と異なり、ナノ構造の熱伝導は準バリスティック領域のフォノン輸送であるため、特別な取扱いが必要です。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、従来の粒子的描像に加えて波動的描像による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。フォノニック結晶のいくつかの種類の格子について、どの程度のナノ構造を作製すればどの程度の伝熱制御効果が得られるかを、フォノニックバンド構造計算から算出し、最適な構造を設計しています。図3は、格子定数300 nmの円孔正方格子をもつ二次元フォノニック結晶ナノ構造について計算したバンドダイアグラムとスペクトルパワー密度です。フォノニック結晶ナノ構造(青)では、円孔なしの薄膜(グレー)と比べて熱輸送が抑制されている様子が示されています。フォノンの波動性を用いた伝熱制御には、熱輸送を量子の集団輸送として捉えた、各フォノンモードの輸送を計算することが必要であり、我々はこのシミュレーション技術に基づいて、効果的な伝熱制御を可能にするフォノニック結晶ナノ構造の設計を行っています。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。

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。

二次元フォノニック結晶のバンドダイアグラムとスペクトルパワー密度

Fig. 3. 二次元フォノニック結晶のバンドダイアグラムとスペクトルパワー密度

※ 参考文献:

1. R. Anufriev and M. Nomura, “Heat conduction engineering in pillar-based phononic crystals,” Phys. Rev. B 95, 155432 (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

 適切に設計され、最先端のナノテクノロジーを活用して作製された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。しかし、一般に光と物体の相互作用は弱いため、その相互作用を強くするためには工夫が必要になります。

 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。

 MBE法で作製したGaAs試料に電子線描画装置や反応性イオンエッチング装置を用いてナノ加工を行って図のようなオプトメカニカルデバイスを作製し、 1.5 um帯の波長可変半導体レーザと近赤外領域低温顕微分光システムを用いてデバイス性能を評価しています。

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よう設計されています。市販および自作のシミュレーターで機械特性および光学特性を評価した後、光機械振動結合による振動の光制御能力を解析し、設計にフィードバックすることでより高性能なデバイスを設計しています。現在、フォトニック結晶ナノ共振器を用いたオプトメカニカルデバイスの中で、最も光-機械振動結合が強い系を見出しています。半導体チップ内を導波された光がフォトニック結晶ナノ共振器に結合し、オプトメカニカルカップリングを実現するよう、図4のような構造を作製し、グレーティングによる共振器への光結合と、フォトニック結晶導波路による光導波、および検出系への高効率な光取り出しを実現しました。このように、適切に設計されたナノスケールシステムにおいて、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。

作製したナノオプトメカニカルデバイスの走査型電子線顕微鏡写真と光学特性評価

Fig. 5. 作製したナノオプトメカニカルデバイスの走査型電子線顕微鏡写真と光学特性評価

※ 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).

試料作製協力:平川研究室、荒川・岩本研究室