[論文レビュー] 2D phononic crystals: Disorder matters

Markus R. Wagner, Bartłomiej Graczykowski+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Acoustic Wave Phenomena Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、2次元シリコンフォノニック結晶における不規則性および表面粗さが、ハイパーソニックおよび熱的フォノン特性に与える影響を調査する。超短パルス分光法およびラマン温度測定法を用いて、不規則性が室温における熱伝導率を変化させないまま、GHz領域のフォノン分散およびコherー二ンスを変化させることを実証した。これにより、粗さおよび不規則性パラメータに基づくフォノンコherー二ンスの予測基準が得られた。

ABSTRACT

The design and fabrication of phononic crystals (PnCs) hold the key to control the propagation of heat and sound at the nanoscale. However, there is a lack of experimental studies addressing the impact of order / disorder on the phononic properties of PnCs. Here, we present a comparative investigation of the influence of disorder on the hypersonic and thermal properties of 2-dimensional PnCs. PnCs of ordered and disordered lattices are fabricated of circular holes with equal filling fractions in free-standing Si membranes. Ultrafast pump and probe spectroscopy (asynchronous optical sampling) and Raman thermometry based on a novel two-laser approach are used to study the phononic properties in the GHz and THz regime, respectively. Finite element method simulations of the phonon dispersion relation and three dimensional displacement fields furthermore enable the unique identification of the different hypersonic vibrations. The increase of surface roughness and the introduction of short range disorder are shown to modify the phonon dispersion and phonon coherence in the hypersonic (GHz) range without affecting the room temperature thermal conductivity. Based on these findings we suggest a criteria for predicting phonon coherence as function of roughness and disorder.

研究の動機と目的

• 2次元フォノニック結晶における構造的不規則性および表面粗さがフォノン特性に与える影響を実験的に調査すること。
• 不規則性がシリコンベースのナノ構造においてハイパーソニックフォノンおよび熱輸送に異なる影響を及えるかどうかを明らかにすること。
• 不規則性および表面粗さパラメータに基づくフォノンコherー二ンスの予測基準を構築すること。
• 同じ充填率を有する秩序的および不秩序な2次元フォノニック結晶格子を、高度な分光技術を用いて比較すること。

提案手法

• 充填率を一定に保ちながら、秩序的から不秩序的へと系統的に変化する円形穴の2次元配列を有する自由膜状シリコン膜の作製。
• GHz領域のハイパーソニックフォノンをプローブするため、非同期光パルス採用分光法（ASOPS）を用いた超短パルスポンプ・プローブ分光法の適用。
• THz領域における熱的性質を測定するため、新規の2レーザーRaman温度測定法の活用。
• フォノン分散関係および3次元変位場を特定・特徴付けるために、有限要素法（FEM）を用いたシミュレーション。
• 実験データとFEMシミュレーションの相関をとることで、観測されたフォノンモードを明確に同定し、コherー二ンス効果を評価すること。
• 表面粗さおよび短距離不規則性の定量的分析を行い、フォノンコherー二ンスの予測モデルを導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元フォノニック結晶における構造的不規則性は、GHz領域のハイパーソニックフォノン分散およびコherー二ンスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 表面粗さは、室温における熱伝導率を変化させないまま、フォノンコherー二ンスに影響を与えるか？
• RQ3 短距離不規則性および表面粗さは、ハイパーソニック領域におけるフォノン行動をどの程度変化させるか？
• RQ4 有限要素法シミュレーションは、不秩序な2次元フォノニック結晶におけるハイパーソニック振動モードを一意に同定できるか？
• RQ5 測定可能な不規則性および粗さパラメータに基づき、フォノンコherー二ンスを予測する基準は何か？

主な発見

• 表面粗さおよび短距離不規則性は、ハイパーソニック（GHz）領域におけるフォノン分散関係を変化させ、これによりフォノン伝播特性が変化していることが示された。
• フォノンコherー二ンスは不規則性および粗さの影響を強く受けるが、室温における熱伝導率は変化しない。
• 有限要素法シミュレーションは、異なるハイパーソニック振動モードを効果的に同定・区別でき、実験データの正確な解釈を可能にした。
• 本研究では、表面粗さおよび不規則性パラメータに基づくフォノンコherー二ンスの予測基準を確立した。
• 超短パルスポンプ・プローブ分光法および2レーザーRaman温度測定法は、GHzおよびTHz周波数領域におけるフォノンダイナミクスを補完的に解明した。
• フォノン分散が変化しているにもかかわらず熱伝導率に変化がないことから、本系では熱輸送とハイパーソニックフォノンコherー二ンスが分離されていることが示された。