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摘要：研究团队将飞秒激光诱导周期性表面结构（fs-LIPSS）应用于硅薄膜表面，证实了与传统方法相比，能够极快地形成周期性结构，制作速度是传统方法的约1000 倍以上。

关键词：半导体、热管理、飞秒激光、声子纳米结构、硅薄膜

要点

制作具有导热控制特性的声子纳米结构，速度比传统方法快 1000 倍以上。
通过热反射率法和蒙特卡罗模拟，阐明了结构内部的热传导机制。
有望实现高性能、节能的电子设备和量子器件。

概要

研究团队提出了一种可控制热传输的声子纳米结构的制作方法，在保持其特性的同时，制作速度是传统方法的约1000 倍以上。

声子是承担热传导的量子，此前已知通过使用周期小于声子平均自由程的结构，可以控制热传导。这种结构被称为声子纳米结构。以往广泛使用电子束光刻等方法，但加工速度低，成为面向实用化的课题。研究团队将飞秒激光诱导周期性表面结构（fs-LIPSS）应用于硅薄膜表面，证实了与传统方法相比，能够极快地形成周期性结构。此外，通过结合基于热反射率法的热导率测量和蒙特卡罗模拟，明确了fs-LIPSS 结构能有效抑制平均自由程较长的声子传输。

此前，有许多关于利用声子纳米结构控制薄膜热导率的研究报告。此次成果是将此类基础研究成果投入实际应用的重要里程碑，预计将大幅扩展在高性能计算、片上能量转换、量子器件等热管理关键领域的应用。

图1 利用激光直接绘制法和干法刻蚀形成纳米周期结构及声子

背景

近年来，随着智能手机和个人电脑等各种电子设备的小型化以及功率密度的增加，内部的发热管理成为问题，散热设计和废弃热能的有效利用至关重要。在这样的热管理中，作为晶格振动量子的声子的传输控制成为核心课题之一。

因此，基于声子纳米结构的热传输控制技术受到关注，但纳米结构的制作主要采用电子束光刻等高成本且耗时的方法，这成为了面向实用化的重大课题。对此，本研究以高速制作声子纳米结构为目的，利用飞秒激光诱导周期性表面结构（fs-LIPSS）进行声子传输控制。

研究成果

本研究将fs-LIPSS 应用于硅薄膜，制作出了沟槽形纳米结构。通过对其热传导特性进行测量和分析，取得了以下两大成果。

1. 制造速度比传统方法高 1000 倍以上

通过优化激光加工条件，提高了fs-LIPSS的均匀性，再通过干法刻蚀去除氧化膜，成功实现了薄膜化（图 2(a) ）。图 2（b）展示了传统加工方法与开发的fs-LIPSS工艺的速度比较。在本研究的实验条件下证实，纳米结构的制造速度比以往的聚焦离子束快 10 万倍，比电子束光刻快 1000 倍以上。此外，与以往的光刻相比，能够制造出更精细的结构，且利用非常简单的设备即可实现操作。

图2 （a）飞秒激光诱导周期性表面结构的电子显微镜图像；（b）加工速度对比

2. 降低热导率并阐明机制

研究发现，通过本方法制作的纳米结构与现有的硅薄膜相比，热导率低约 25％（从 101W/ｍ/K 降至 76W/ｍ/K）（图 3（a））。该值低于仅将膜变薄时预测的传统理论极限（图中用K_FS 表示的虚线），这表明纳米结构有效地阻碍了热能的传输。此外，还发现热导率与fs-LIPSS的角度无关，呈各向同性降低。通过声子的蒙特卡罗模拟得知，fs-LIPSS的表面粗糙度因激光加工而增大，使得声子更容易散射，从而导致各向同性的热传导。图3（b）显示了累积热导率与声子平均自由程的关系。可以看出，周期性沟槽结构阻碍了作为热传导主要载体的“长平均自由程声子”的行进。

图3 （a）热导率测量结果；（b）通过蒙特卡罗模拟发现的累积热导率与声子平均自由程的关系

研究意义

本研究成果大幅提高了针对热管理的纳米结构制造的实用可能性，是将此前一直停留在基础研究阶段的声子工程应用于现实社会的重要一步。特别是在纳米加工方法成为瓶颈的电子导热控制、环境能量收集等领域，应用可能性很高。

今后发展

今后，将利用fs- LIPSS制造热电转换材料，应用于电子设备的冷却机制的设计、利用废热的传感技术。此外，还将根据可应用的器件和材料研究工艺，阐明热传输机制，并提出独特的热管理技术，包括阐明适用于量子器件和宇宙空间的极低温下的传热机制等。

https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/4939/

https://doi.org/10.1002/adfm.202525269

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