Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

カーボンナンチューブ / 熱電変換 / フォノン / Van der Waals力 / カーボンナノチューブ / 熱伝導率 / カーボンナノピーポッド / ゾーンフォールディング / 分子動力学

カーボンナノチューブ（CNT）ネットワーク全体における熱輸送ではCNT同士の接触部分におけるフォノン散乱が大きな散乱因子となる。また近年実験からも明らかになってきたように、CNTはバンドル化することにより大きく熱伝導率が低下する、つまりCNT同士の面間相互作用によりフォノンが強く散乱される。CNT同士の接触部や面間相互作用の影響はこれまでにも分子動力学法や原子グリーン関数法などにより理論的に研究されてきたが、ネットワークやバンドルの熱輸送特性を制御するためには、より詳細な理論解析が必要である。そこで本研究ではS-matrix法と原子グリーン関数（AGF）法を用いた手法を応用し、CNT同士の接触部や面間におけるフォノン散乱モード依存性を明らかにすることを目指している。本年度は解析技術を確立するため、S-matrix法とAGF法を利用した実装したソフトウェアを開発した。既にシリコンやグラフェンなどにおけるテスト計算を行い、過去の研究と良い一致が得られることが確認できた。

本課題において、フラーレン内包によりCNT単体の熱輸送特性、特にフォノン波動性を制御可能であることを示してきた。これはVan der Waals力による弱い相互作用によっても熱輸送特性に大きな影響を及ぼすことが可能であることを示している。そこで、材料は異なるがVan der Waals力により低熱伝導率が実現しているクラスレート化合物に着目し、フォノン特性の詳細な解析を行った。これにより、室温付近においてフォノン非調和効果やコヒーレント輸送の寄与により熱伝導率の減少が抑制されることが明らかになった。本成果をまとめた論文は既に査読中であり、CNTにおけるフラーレン内包効果と比較することで、様々なVan der Waals力が及ぼす影響の理解が進むと期待される。

熱工学 / 熱物性 / 熱伝導率 / フォノン

ナノワイヤやナノ薄膜といった次世代ナノ・マイクロ材料・デバイスの熱輸送メカニズム解明を目的として，4つの革新的センシング手法を開発し，従来手法では測定することができなかった環境下において，特異な熱輸送性質を明らかにすることに成功した．さらに，デバイスの劣化加速試験を行い，時々刻々と劣化していくデバイスの界面熱抵抗を開発したセンシング手法を用いて計測し，フォノンスペクトロスコピーが劣化メカニズム解明に適用できることを示した．

本研究で開発された革新的センシング手法は，これまでに適用することができなかった環境下（例えば極低温，強磁場や幅広い温度域）において高精度で熱物性を測定することが可能であり，例えば超電導送電ケーブルの熱設計，ガス貯蔵応用や次世代蓄熱材として期待が集まるセミクラスレートハイドレートの実用化に資する熱物性データを提供するという意味で，社会的インパクトは大きい．さらに，劣化メカニズムや特異な熱輸送現象の解明など，提案するフォノンスペクトロスコピーの果たす役割は大きい．

ナノ電子デバイス / 自己加熱効果 / アナログ特性 / フォノン輸送 / ナノワイヤ / SOI MOSFET / FinFET / フォノン / バリスティック輸送 / 自己加熱 / トランジスタ温度分布 / 界面熱抵抗 / ナノ半導体 / 熱伝導率

ナノスケール半導体電子デバイスにおける，動作時温度分布の測定・解析および温度上昇が性能に与える影響の評価を行った．その結果，熱特性の最適化によって次世代立体構造トランジスタの消費電力を性能を低下させることなく低減できることを示した．また，ナノスケールの電子デバイスでは，従来の熱特性評価手法では温度を正しく見積もれないことをナノワイヤ熱物性の測定から実験的に明らかにした．

【研究分担者】
田口良広	慶應義塾大学	理工学部(矢上)	教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
内田建	慶應義塾大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)