[論文レビュー] Small-mass atomic defects enhance vibrational thermal transport at disordered interfaces with ultrahigh thermal boundary conductance

Ashutosh Giri, Sean W. King+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Thermal properties of materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、無秩序なアモルファス SiOC:H/SiC:H界面における小質量原子欠陥—特に窒素ドーピング—が、振動的熱輸送を強化し、1 GW m⁻² K⁻¹に近い熱境界伝導率（TBC）を達成することを示している。これは、拡산的界面においてこれまでに測定された中で最高の値である。この強化は、欠陥が豊富な界面に固有の界面振動モードに起因し、従来のフォノン輸送理論を超えるエネルギー移動効率をもたらす。

ABSTRACT

The role of interfacial nonidealities and disorder on thermal transport across interfaces is traditionally assumed to add resistance to heat transfer, decreasing the thermal boundary conductance (TBC).$^1$ However, recent computational works have suggested that interfacial defects can enhance this thermal boundary conductance through emergence of unique vibrations that are intrinsic to the material interface and defect atoms,$^{2-6}$ a finding that contradicts traditional theory and conventional understanding. By manipulating the local heat flux of atomic vibrations that comprise these interfacial modes, in principle, the TBC can be increased. In this work, we provide evidence that interfacial defects can enhance the TBC across interfaces through the emergence of unique high frequency vibrational modes that arise from atomic mass defects at the interface with relatively small masses. We demonstrate ultrahigh TBC at amorphous SiOC:H/SiC:H interfaces, approaching 1 GW m$^{-2}$ K$^{-1}$, that is further increased through the introduction of nitrogen defects. The fact that disordered interfaces can exhibit such high conductances, which can be further increased with additional defects offers a unique direction in controlling interfacial thermal transport that becomes important in manipulating heat transfer across materials with high densities of interfaces.

研究の動機と目的

• 無秩序界面における界面欠陥が熱境界伝導率（TBC）をどのように向上させるかを調査し、従来の見解（欠陥は熱輸送を妨げる）に挑戦すること。
• 原子質量欠陥に起因する特異な界面振動モードがTBCを顕著に増加させるという理論的予測を、実験的に検証すること。
• 制御された窒素ドーピングによって、アモルファスマルチレイヤー（AMLs）であるa-SiC:H/a-SiOC:Hにおいて、1 GW m⁻² K⁻¹に近い超高TBC値を達成できることを実証すること。
• ナノスケール界面における欠陥化学の制御によって、界面熱輸送を調整する材料工学戦略を確立すること。
• 界面モードによるTBCの向上に関する理論的予測と、実験的証拠の不足という長年の矛盾を解消すること。

提案手法

• プラズマ増強化学気相堆積法（PECVD）を用いて、水素化アモルファス炭化ケイ素（a-SiC:H、k ≈ 6.5 W m⁻¹ K⁻¹）と水素化アモルファス酸化炭化ケイ素（a-SiOC:H、k ≈ 3.2 W m⁻¹ K⁻¹）の交互に積層されたアモルファスマルチレイヤー（AML）構造を作製した。
• 時間領域熱反射法（TDTR）を用いて、熱伝導度を測定し、a-SiC:H/a-SiOC:H界面を貫く熱境界伝導率（TBC）を抽出した。
• 界面付近に軽量質量の窒素欠陥を導入するために、イン・スイットプラズマドーピングを実施し、その後に熱輸送特性を再測定した。
• X線反射率（XRR）およびX線走査電子顕微鏡（XSEM）を用いて、マルチレイヤースタック全体の周期的層構造および厚さを確認した。
• 化学結合および欠陥の含有状況を分析するため、透過型フーリエ変換赤外分光法（FTIR）を実施し、基板干渉効果はきめ細やかな光学モデルを用いて除去した。
• 分子動力学（MD）シミュレーションと振動分光法を組み合わせ、質量欠陥工学に起因する高周波数界面モードの出現を同定および検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無秩序界面における原子質量欠陥が、従来のフォノン輸送理論で予測される限界を超えて熱境界伝導率を向上させることができるか？
• RQ2 軽量質量ドーパント（例：窒素）が、界面振動モードをどのように変化させ、アモルファスヘテロ界面を越えたエネルギー移動を促進するか？
• RQ3 界面欠陥の存在が、界面密度を変化させても、アモルファスマルチレイヤーにおける熱境界伝導率に測定可能な増加をもたらすか？
• RQ4 欠陥工学を用いることで、無秩序でアモルファス系において、1 GW m⁻² K⁻¹に近い超高TBCを実験的に達成および安定化できるか？
• RQ5 欠陥が豊富な界面に固有の界面振動モードが、無秩序性が熱伝導率を低下させるという従来の仮定の破綻にどのように寄与するか？

主な発見

• アモルファスa-SiC:H/a-SiOC:H界面における熱境界伝導率（TBC）は、約1 GW m⁻² K⁻¹に達し、これは拡散的界面においてこれまでに測定された中で最高の値である。
• イン・スイットプラズマ処理による窒素欠陥の導入により、界面抵抗が消失し、マルチレイヤーの熱伝導度は界面密度に依存しなくなった。
• 振動分光法および分子動力学シミュレーションにより、軽量質量の窒素欠陥に起因する高周波数界面モードの出現が確認され、界面を越えるエネルギー移動が促進された。
• 個々のa-SiC:Hおよびa-SiOC:H層の熱伝導度は、それぞれ1.48 ± 0.12 W m⁻¹ K⁻¹および0.75 ± 0.06 W m⁻¹ K⁻¹であり、体積比熱容量は1.9 ± 0.3 J cm⁻³ K⁻¹および1.3 ± 0.2 J cm⁻³ K⁻¹であった。
• 観測されたTBCの向上は、古典的フォノン輸送モデルでは説明できず、欠陥に起因する界面モードが、無秩序界面における熱輸送において主導的役割を果たしていることを示唆している。