熱輸送：界面を横切るフォノン輸送ダイナミクスの電子顕微鏡法によるプロービング

物質界面を横切る熱輸送機構を理解することは、半導体技術を進歩させるために、特に極端な電力密度の下で動作する小型デバイスにおいて極めて重要である。フォノンを介する界面過程は、半導体における界面熱輸送の支配的機構として理論的に確立されているものの、そのナノスケールダイナミクスは、埋め込まれた界面を横切る温度と非平衡フォノンの分布の測定が困難なため、まだ実験的には捉えられていない。今回我々は、電子顕微鏡においてin situ振動電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて、熱輸送中のAlN–SiC界面を横切る温度勾配をナノスケールでプロファイリングすることによってこうした制約を克服し、非平衡フォノン占有をサブナノスケール分解能でマッピングした。界面を横切る約2 nmの範囲内で急激な温度低下が観測され、これによって相対的な界面熱抵抗（ITR）を直接得ることができた。熱輸送中、界面におけるフォノンモードの熱伝導率の不一致が近傍に大量の非平衡フォノンを生じさせ、これにより順方向熱流と逆方向熱流の下で界面モードの占有数に違いが生じ、また、界面から約3 nm以内のAlN光学フォノンのモード温度の著しい変化につながった。こうした結果によって、（サブ）ナノスケールでのフォノン輸送ダイナミクスが明らかになるとともに、界面モードが関与する非弾性フォノン散乱機構が確立され、熱界面の操作に関する有用な知見がもたらされる。

目次へ戻る