In this study, we use transient thermal gratings—a non-contact, laser-based thermal metrology technique with intrinsically high accuracy—to investigate room-temperature phonon-mediated thermal transport in two nanoporous holey silicon membranes with limiting dimensions of 120 nm and 250 nm, respectively. We compare the experimental results with ab initio calculations of phonon-mediated thermal transport according to the phonon Boltzmann transport equation (BTE) using two different computational techniques. We find that the calculations conducted within the Casimir framework, i.e., based on the BTE with the bulk phonon dispersion and diffuse scattering from surfaces, are in quantitative agreement with the experimental data and thus conclude that this framework is adequate for describing phonon-mediated thermal transport in silicon nanostructures with feature sizes of the order of 100 nm.

1.
D. G.
Cahill
,
W. K.
Ford
,
K. E.
Goodson
,
G. D.
Mahan
,
A.
Majumdar
,
H. J.
Maris
,
R.
Merlin
, and
S. R.
Philpot
,
J. Appl. Phys.
93
,
793
(
2003
).
2.
D. G.
Cahill
,
P. V.
Braun
,
G.
Chen
,
D. R.
Clarke
,
S.
Fan
,
K. E.
Goodson
,
P.
Keblinski
,
W. P.
King
,
G. D.
Mahan
,
A.
Majumdar
,
H. J.
Maris
,
S. R.
Philpot
,
E.
Pop
, and
L.
Shi
,
Appl. Phys. Rev.
1
,
011305
(
2014
).
3.
L.
Shi
,
Nanosc. Microsc. Therm.
16
,
79
(
2012
).
4.
C. J.
Vineis
,
A.
Shakouri
,
A.
Majumdar
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Adv. Mater.
22
,
3970
(
2010
).
6.
A. J.
Minnich
,
M. S.
Dresselhaus
,
Z. F.
Ren
, and
G.
Chen
,
Energy Environ. Sci.
2
,
466
(
2009
).
7.
G.
Gadea
,
M.
Pacios
,
A.
Morata
, and
A.
Tarancón
,
J. Phys. D Appl. Phys.
51
,
423001
(
2018
).
8.
A. I.
Boukai
,
Y.
Bunimovich
,
J.
Tahir-Kheli
,
J.-K.
Yu
,
W. A.
G., III
, and
J. R.
Heath
,
Nature
451
,
168
(
2008
).
9.
A. I.
Hochbaum
,
R.
Chen
,
R. D.
Delgado
,
W.
Liang
,
E. C.
Garnett
,
M.
Najarian
,
A.
Majumdar
, and
P.
Yang
,
Nature
451
,
163
(
2008
).
10.
D.
Li
,
Y.
Wu
,
P.
Kim
,
L.
Shi
,
P.
Yang
, and
A.
Majumdar
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2934
(
2003
).
11.
P. E.
Hopkins
,
C. M.
Reinke
,
M. F.
Su
,
R. H.
O., III
,
E. A.
Shaner
,
Z. C.
leseman
,
J. R.
Serrano
,
L. M.
Phinney
, and
I.
El-Kady
,
Nano Lett.
11
,
107
(
2011
).
12.
J.
Tang
,
H.-T.
Wang
,
D. H.
Lee
,
M.
Fardy
,
Z.
Huo
,
T. P.
Russell
, and
P.
Yang
,
Nano Lett.
10
,
4279
(
2010
).
13.
J.-K.
Yu
,
S.
Mitrovic
,
D.
Tham
,
J.
Varghese
, and
J. R.
Heath
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
718
(
2010
).
14.
J.
Lim
,
H.-T.
Wang
,
J.
Tang
,
S. C.
Andrews
,
H.
So
,
J.
Lee
,
D. H.
Lee
,
T. P.
Russell
, and
P.
Yang
,
ACS Nano
10
,
124
(
2016
).
15.
M.
Nomura
,
Y.
Kage
,
J.
Nakagawa
,
J.
Maire
,
J.
Shiomi
,
R.
Anufriev
,
D.
Moser
, and
O.
Paul
,
Phys. Rev. B
91
,
205422
(
2015
).
16.
J.
Lee
,
J.
Lim
, and
P.
Yang
,
Nano Lett.
15
,
3273
(
2015
).
18.
N. K.
Ravichandran
and
A. J.
Minnich
,
Phys. Rev. B
89
,
205432
(
2014
).
19.
A.
Saeki
,
T.
Kozawa
,
S.
Tagawa
,
H. B.
Cao
,
H.
Deng
, and
M. J.
Leeson
,
Nanotechnology
19
,
015705
(
2008
).
20.
R.
Guo
and
S.-Y.
Lee
,
J. Vac. Sci. Technol. B
34
,
06K065
(
2016
).
21.
J.
Cuffe
,
J. K.
Eliason
,
A. A.
Maznev
,
K. C.
Collins
,
J. A.
Johnson
,
A.
Schepetov
,
M.
Prunnila
,
J.
Ahopelto
,
C. M. S.
Torres
, and
K. A. N. G.
Chen
,
Phys. Rev. B
91
,
245423
(
2015
).
22.
W.
Park
,
D. D.
Shin
,
S. J.
Kim
,
J. S.
Katz
,
J.
Park
,
C. H.
Ahn
,
T.
Kodama
,
M.
Asheghi
,
T. W.
Kenny
, and
K. E.
Goodson
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
213102
(
2017
).
23.
J.
Ma
,
J. S.
Sadhu
,
D.
Ganta
,
H.
Tian
, and
S.
Sinha
,
AIP Adv.
4
,
124502
(
2014
).
24.
A. M.
Marconnet
,
T.
Kodama
,
M.
Asheghi
, and
K. E.
Goodson
,
Nanosc. Microsc. Therm.
16
,
199
(
2012
).
25.
A.
Jain
and
A. J. H.
McGaughey
,
Phys. Rev. B
87
,
195301
(
2013
).
26.
M.
Verdier
,
R.
Anufriev
,
A.
Ramiere
,
K.
Termentzidis
, and
D.
Lacroix
,
Phys. Rev. B
95
,
205438
(
2017
).
27.
K. D.
Parrish
,
J. R.
Abel
,
A.
Jain
,
J. A.
Malen
, and
A. J. H.
McGaughey
,
J. Appl. Phys.
122
,
125101
(
2017
).
28.
S.
Alaie
,
D. F.
Goettler
,
M.
Su
,
Z. C.
Leseman
,
C. M.
Reinke
, and
I.
El-Kady
,
Nat. Commun.
6
,
7228
(
2015
).
29.
M. R.
Wagner
,
B.
Graczykowski
,
J. S.
Reparaz
,
A. A. E.
Sachat
,
M.
Sledzinska
,
F.
Alzina
, and
C. M. S.
Torres
,
Nano Lett.
16
,
5661
(
2016
).
30.
J.
Maire
,
R.
Anufriev
,
R.
Yanagisawa
,
A.
Ramiere
,
S.
Volz
, and
M.
Nomura
,
Sci. Adv.
3
,
e1700027
(
2017
).
31.
J.
Lee
,
W.
Lee
,
G.
Wehmeyer
,
S.
Dhuey
,
D. L.
Olynick
,
S.
Cabrini
,
C.
Dames
,
J. J.
Urban
, and
P.
Yang
,
Nat. Commun.
8
,
14054
(
2016
).
32.
R. K.
Kremer
,
K.
Graf
,
M.
Cardona
,
G. G.
Devyatykh
,
A. V.
Gusev
,
A. M.
Gibin
,
A. V.
Inyushkin
,
A. N.
Taldenkov
, and
H.-J.
Pohl
,
Solid State Commun.
131
,
499
(
2004
).
33.
J. A.
Johnson
,
A. A.
Maznev
,
M. T.
Bulsara
,
E. A.
Fitzgerald
,
T. C.
Harman
,
S.
Calawa
,
C. J.
Vineis
,
G.
Turner
, and
K. A.
Nelson
,
J. Appl. Phys.
111
,
023503
(
2012
).
34.
A.
Vega-Flick
,
R. A.
Duncan
,
J. K.
Eliason
,
J.
Cuffe
,
J. A.
Johnson
,
J.-P. M.
Peraud
,
L.
Zeng
,
Z.
Lu
,
A. A.
Maznev
,
E. N.
Wang
,
J. J.
Alvarado-Gil
,
M.
Sledzinska
,
C. M. S.
Torres
,
G.
Chen
, and
K. A.
Nelson
,
AIP Adv.
6
,
121903
(
2016
).
35.
G.
Romano
and
J. C.
Grossman
,
J. Heat Transfer
137
,
071302
(
2015
).
36.
J.-P. M.
Péraud
and
N. G.
Hadjiconstantinou
,
Phys. Rev. B
84
,
205331
(
2011
).
37.
J.-P. M.
Péraud
and
N. G.
Hadjiconstantinou
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
153114
(
2012
).
38.
M.
Sledzinska
,
B.
Graczykowski
,
F.
Alzina
,
J. S.
Lopez
, and
C. M. S.
Torres
,
Microelectron. Eng.
149
,
41
(
2016
).
39.
A. A.
Maznev
,
K. A.
Nelson
, and
J. A.
Rogers
,
Opt. Lett.
23
,
1319
(
1998
).
40.
O.
Hellman
and
I. A.
Abrikosov
,
Phys. Rev. B
88
,
144301
(
2013
).
41.
G.
Romano
and
A. M.
Kolpak
,
J. Heat Transfer
141
,
012401
(
2019
).
42.
J. Y.
Murthy
and
S. R.
Mathur
,
Numer. Heat. Tr. B
33
,
397
(
1998
).
43.
G.
Romano
and
A.
Di Carlo
, “
Multiscale electrothermal modeling of nanostructured devices
,”
IEEE Trans. Nanotechnol.
10
,
1285
1292
(
2011
).
44.
Thus, κeff is defined as the thermal conductivity of a solid membrane that would have the same conductance per unit area as the nanoporous membrane. This definition is consistent with Eq. (2) used to obtain the experimental value of κeff from the measured thermal diffusivity.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.