顕微ラマン分光を用いた単結晶シリコンへき開ナノギャップ間の温度差測定

摘要

熱電子発電は高温のエミッタから放出される熱電子を，真空ギャップを介してコレクタで回収することにより発電する方法であり，熱電発電と同様に熱から直接電気を取り出せる発電方法として注目されている．しかし，熱電子放出には1000°C以上という高温熱源が必要とされ適用範囲は非常に限られていた．近年，エミッタ-コレクタ間の距離をナノメートルオーダーにまで近づけることで量子効果により室温程度の環境での発電が可能になるとの報告がさ れており，性能の限界が近いとされる熱電発電の代替手法となりうると期待される．一方で，ナノメートルオーダーの空隙を有する対向面電極，すなわちナノギャップを作製することは難しく，特にギャップ間隔が10nm程度の大面積かつ平行平滑対向面を有するナノギャップの作製は未だに報告されていない．また，発電素子としての性能評価にはギャップ間の熱輸送特性の評価が不可欠であるが測定報告もほとhどない．本研究では，単結晶シリコン梁を微小電気機械システム(MEMS)技術によって作製したデバイスを用いて(111)面でへき開し，組み込まれたアクチュェ ータによってギャップ間隔を制御することでナノギャップを得る手法，へき開された梁の一方をデバイスに組み込まれたヒーターにより加熱し，ギャップ両端の温度差を顕微ラマン分光によって測定することでナノギャップ間の熱輸送特性を求める手法を提案している．本論文では，活性層面方位が(110)であるSOIウェハを用いてデバイスを作製し，これを用いてナノギャップを創製する．更に，顕微ラマン分光によりギャップ間温度差を測定し，理論計算から求めた単結晶シリコンの近接場放射と比較することにより測定結果を考察する．