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第一原理および非平衡グリーン関数法を用いた熱電変換材料の熱伝導解析

Research Project

Project/Area Number 12J08724
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Thermal engineering
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

志賀 拓麿  東京大学, 大学院工学系研究科, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2012 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2013: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2012: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsフォノン / 熱電変換 / 第一原理 / 合金
Research Abstract

昨年度は, 第一原理的に得られた原子間力定数を用いて, ボルツマン輸送方程式を逆格子空間で解く非調和格子動力学法を鉛テルライドと鉛セレン, および鉛テルライド・セレン合金結晶にそれぞれ適用した. 純結晶に対しては定量的な解析結果が得られたが, 合金系に対しては格子熱伝導率の低減を過小評価してしまい, 実験結果を再現できない課題があった. この課題を解決するためには, 合金化によって生じる局所実空間中の環境変化を考慮する必要があったため, 当該年度では実空間法である分子動力学法を用いて, 合金結晶の熱伝導解析を行った. 合金化効果のうち, 質量差変化は分子動力学法で容易に取り込むことが可能であるが, 力場差変化の取り込みは比較的難しい. 本来, 合金結晶中の原子間力定数計算は合金化割合や置換原子間の配置それぞれに対して計算する必要があるが, その計算量は極めて膨大になるため, 本研究で用いた第一原理熱伝導解析法の枠組みでは現実的でない. そこで純結晶の原子間力定数を合金化の度合いに応じて混合する経験的な方法を開発・実施し, 鉛テルライド・セレン合金の熱伝導率を計算したところ, 第一原理熱伝導解析で得られた過小評価は改善され, 実験を定量的によく再現する結果が得られた. 本方法論は鉛テルライド・セレン合金のみに留まらない一般的な方法であるため, 他の合金結晶の熱伝導解析においても適用可能であり, 様々な合金結晶の定量的な熱伝導解析に繋がる.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

単結晶および合金結晶の定量的な熱伝導計算は順調に進んでおり, 方法論の確立も概ね終了しつつある. また合金化による熱伝導低減メカニズムの解明において重要な合金化効果の定量解析ツールの開発も終了し, 熱電変換の分野で求められる最適な合金化割合や置換元素の提案も可能になっている.

Strategy for Future Research Activity

当該年度は比較的シンプルな構造を有する純結晶および合金結晶の熱伝導解析ツールの開発と適用を行ったが, 現実系への展開に向けては, 複雑な構造を有する材料ヘアプローチしていく必要がある。また合金化が有効な材料の組み合わせを提案するためには, 分子論に立脚した合金化モデルが求められているが, 既存のモデルは力場差の変化を露に考慮していないことから, 数値解析結果を基にモデルの改善を進めることも重要である。一方, 界面熱輸送に関しては, 分子動力学法に基づいた界面熱コンダクタンス計算を行い, 界面における弾性・非弾性的の熱抵抗への影響を評価したが, 非平衡グリーン関数法などの他の方法論との違いを詳細に検証するためまでには至っておらず, 今後の課題となった。

Report

(2 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2014 2013 2012

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (16 results)

  • [Journal Article] Influence of mass contrast in alloy phonon scattering2014

    • Author(s)
      Takuma Shiga, Takuma Hori, and Junichiro Shiomi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 53 Issue: 2 Pages: 021802-021802

    • DOI

      10.7567/jjap.53.021802

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Origin of anomalous anharmonic lattice dynamics of lead telluride2014

    • Author(s)
      Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Olivier Delaire, and Junichiro Shiomi
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 7 Issue: 4 Pages: 041801-041801

    • DOI

      10.7567/apex.7.041801

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Phonon transport analysis of silicon germanium alloys using molecular dynamics simulations2013

    • Author(s)
      Takuma Hori, Takuma Shiga, and Junichiro Shiomi
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 113 Issue: 20

    • DOI

      10.1063/1.4807301

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Importance of local force fields on lattice thermal conductivity reduction in PbTe_<1-x>Se_x alloys2013

    • Author(s)
      Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, and Junichiro Shiomi
    • Journal Title

      Europhysics Letters

      Volume: 100

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    • Author(s)
      Sho Hida, Takuma Hori, Takuma Shiga
    • Journal Title

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      Volume: 67 Pages: 1024-1029

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.08.068

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      Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Jie Ma, Olivier Delaire, Tomasz Radzynski, Andrzej Lusakowski, Keivan Esfarjanim, Gang Chen
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 85 Issue: 15 Pages: 155203-155203

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.155203

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      Zhiting Tian, Jivtesh Garg, Keivan Esfarjani, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Gang Chen
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 85 Issue: 18 Pages: 184303-184303

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.184303

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      Takuma Shiga, Satoru Konabe, Junichiro Shiomi, Takahiro Yamamoto, Shigeo Maruyama, Susumu Okada
    • Journal Title

      Applied Physics Letter

      Volume: 100 Issue: 23 Pages: 233101-233101

    • DOI

      10.1063/1.4725485

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      第5回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
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      仙台国際センター, 仙台, 宮城
    • Year and Date
      2013-11-06
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      Takuma Shiga, Takuru Murakami, and Junichiro Shiomi
    • Organizer
      The 4th International Symposium Micro and Nano Technology (ISMNT-4)
    • Place of Presentation
      Shanghai International Convention Center, Shanghai, China
    • Year and Date
      2013-10-11
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      Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, Gang Chen, and Junichiro Shiomi
    • Organizer
      The 32st international Conference on Thermoelectrics (ICT2013)
    • Place of Presentation
      Kobe International Conference Center, Kobe, Japan
    • Year and Date
      2013-07-03
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 中温領域用の熱電変換材料の第一原理熱伝導解析2013

    • Author(s)
      志賀 拓麿, Keivan Esfarjani, 村上 拓, 堀 琢磨, Gang Chen, 塩見 淳一郎
    • Organizer
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      ウェスティンホテル仙台およびトラスシティカンファレンス・仙台, 宮城
    • Year and Date
      2013-05-30
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  • [Presentation] 第一原理に基づいた非調和格子動力学法及び分子動力学法による熱電変換材料の熱伝導解析2012

    • Author(s)
      志賀拓磨, 村上拓, 堀琢磨, Keivan Esfarjani, Gang Chen, 塩見淳一郎
    • Organizer
      第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北九州国際会議場・西日本総合展示場, 福岡
    • Year and Date
      2012-10-22
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] モンテカルロ法を用いたナノ構造化熱電材料の格子熱伝導解析2012

    • Author(s)
      堀琢磨, 志賀拓麿, 塩見淳一郎
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      第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      国際会議場・西日本総合展示場
    • Year and Date
      2012-10-22
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] マグネシウムシリサイドの第一原理熱伝導解析2012

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      志賀拓麿, Keivan Esfarjani, Gang Chen,塩見淳一郎
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      第9回日本熱電学会学術講演会
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      東京工業大学蔵前会館, 東京
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      2012-08-27
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      村上拓, 志賀拓麿, 堀琢磨, Zhiting Tian, Keivan Esfarjani, Gang Chen, 塩見淳一郎
    • Organizer
      第9回日本熱電学会学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学蔵前会館, 東京
    • Year and Date
      2012-08-27
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermal transport in thermoelectrics from first-principles calculations2012

    • Author(s)
      Keivan Esfarjani, Junichiro Shiorai, Takuma Shiga, Zhiting Tian, Tengfei Luo, Gang Chen
    • Organizer
      American Chemical Society, Division of Energy Fuels
    • Place of Presentation
      Philadelphia, USA
    • Year and Date
      2012-08-01
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Molecular dynamics study on lattice thermal conductivity of PbTel-xSex alloys2012

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      Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori, Zhiting Tian, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
    • Organizer
      The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectries (ICT/ECT 2012)
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      Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Jie Ma, Olivier Delaire, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
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      The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectrics (ICT/ECT 2012)
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      Aalborg, Denmark
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      2012-07-09
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      Takuma Hori, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi
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      The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectrics (ICT/ECT 2012)
    • Place of Presentation
      Aalborg, Denmark
    • Year and Date
      2012-07-09
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  • [Presentation] Low Thermal Conductivity of Lead Selenide and Lead Telluride from First Principles2012

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      Zhiting Tian, Jivtesh Garg, Keivan Esfarjani, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Gang Chen
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      ASME 2012 Summer Heat Transfar Conference (HT2012)
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      Puerto Rico, USA
    • Year and Date
      2012-07-08
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  • [Presentation] 分子動力学法による合金化したシリコン結晶のフォノン輸送解析2012

    • Author(s)
      堀琢磨, 志賀拓麿, 丸山茂夫, 塩見淳一郎
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      第49回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山国際会議場, 富山
    • Year and Date
      2012-06-01
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  • [Presentation] 摂動論的アプローチによる合金結晶のフォノン輸送解析2012

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      志賀拓磨, 堀琢磨, 丸山茂夫, 塩見淳一郎
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      第49回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山国際会議場, 富山
    • Year and Date
      2012-06-01
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  • [Presentation] 分子動力学法による鉛テルルの格子熱伝導解析2012

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      村上拓, 志賀拓麿, 堀琢磨, Tian Zhiting, Esfarjani Keivan, Chen Gang, 塩見淳一郎
    • Organizer
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山国際会議場, 富山
    • Year and Date
      2012-05-30
    • Related Report
      2012 Annual Research Report

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Published: 2013-04-25   Modified: 2024-03-26  

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