熱を運ぶ粒子「フォノン」の流れを理解し、放熱材料の性能を向上～半導体デバイスの排熱問題の解決に期待～(JST)

2023.05.16更新

ポイント

高性能半導体デバイスは、身の回りのあらゆる製品に搭載され、需要が高まっていますが、排熱が課題であり、放熱材料として普及しつつあるグラファイトの性能向上が求められています。
理論的に、熱を運ぶフォノンの流体的な振る舞いによる熱輸送の効果を明確にし、実験的に同位体を除去した高純度グラファイトで熱伝導が増強されることを確認しました。
理論的には、室温でもこの熱輸送の効果が有効であり、スマートフォンやパソコン、LED、パワー半導体などの発熱の大きな電子機器の熱管理に広く利用されることが期待されます。

　東京大学生産技術研究所のシンコウ特別研究員（日本学術振興会特別研究員）、ヤンユグオ特別研究員（日本学術振興会特別研究員）（研究当時）、野村政宏教授らは、グラファイトの同位体を除去することで、100ケルビン（100ケルビンはマイナス173度）付近で強いフォノンポアズイユ流れが形成され、フォノンの相互作用によって生じる集団的な流れによって熱伝導が増強されることを確認しました。本研究では、これまで明確ではなかったグラファイト中のフォノンポアズイユ流れの形成に関する理論的判断基準を明確にしました。そして、グラファイトでフォノンの流体的な性質を活用して熱伝導を増強するためには、同位体を除去して高純度化することとポアズイユ流れを形成しやすい幅にすることが重要であることを明らかにしました。この成果は、放熱材料として普及が始まっているグラファイトのさらなる放熱性能の向上につながり、高性能半導体デバイスを始めとする排熱を課題として抱える電子機器などに広く波及効果が期待できます。

　本研究は、物質・材料研究機構の谷口尚フェロー、渡辺賢司特命研究員、フランス国立科学研究センターのセバスチャン・ヴォルツリサーチディレクター、東京大学生産技術研究所の町田友樹教授らと共同で行いました。

　本研究成果は、2023年4月19日（現地時間）に、「Nature Communications」に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 CREST「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出（研究総括：谷口研二）」の研究課題「フォノンエンジニアリングに立脚した熱電給電センシングシステム（グラントNo．JPMJCR19Q3）」、日本学術振興会科学研究費助成事業（グラントNo．21H04635、21J12652）などの支援により実施されました。

＜プレスリリース資料＞

本文PDF（329KB）

＜論文タイトル＞

“Observation of phonon Poiseuille flow in isotopically purified graphite ribbons”
DOI:10.1038/s41467-023-37380-5

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