モンテカルロシミュレーションによるナノ構造内のフォノン輸送解析

• Project/Area Number: 12J09161
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 堀 琢磨 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2012: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: フォノン熱伝導 / 熱電変換材料 / ナノ構造 / ボルツマン輸送 / モンテカルロ法 / 合金

Outline of Annual Research Achievements

本年度ではナノ多結晶構造におけるフォノンの実効的な平均自由行程を数値計算により求め，またそれにより熱伝導率への影響を考察した．ナノ構造におけるフォノンの実効的な平均自由行程を得るためには，ボルツマン輸送方程式とランダウアーの透過式から，ナノ構造へのフォノンの透過確率を求める必要がある．そこでレイトレーシング法を用いたフォノンの構造への透過シミュレーションを用い，平均自由行程の計算を行った．この方法の妥当性は理論解が明らかのあるナノワイヤにおいて確認をした．また，単純立方構造をした多結晶体，およびボロノイ図を用いたより複雑な形状をした多結晶体でシミュレーションを行った．これにより，粒径分布の広がりに伴って多結晶体中のフォノンの実効的な平均自由行程は長くなっていくことを定量的に示した．また，それらの平均自由行程の差が熱伝導率にどの程度反映されるか室温のシリコンを例に計算を行った．その結果，顕著な差は現れず，このことから熱伝導率の見積もりの際に単純立方構造による近似が有効であるという示唆を得た．

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Anomalous reduction of thermal conductivity in coherent nanocrystal architecture for silicon thermoelectric materia (2015)
  • Author(s): Yoshiaki Nakamura, Masayuki Isogawa, Tomohiro Ueda, Shuto Yamasaka, Hideki Matsui, Jun Kikkawa, Satoaki Ikeuchi, Takafumi Oyake, Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Akira Sakai
  • Journal Title: Nano Energy Volume: 未定 Pages: 845-851
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.11.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] フォノン輸送の視点からのナノ焼結体の熱伝導解析 (2015)
  • Author(s): 堀 琢磨，塩見 淳一郎
  • Journal Title: 粉体および粉末冶金 Volume: 未定
  • NAID: 130005066970
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Tuning thermal conductance across sintered silicon interface by local nanostructures (2015)
  • Author(s): Masanori Sakata, Takuma Hori, Takafumi Oyake, Jeremie Maire, Masahiro Nomura, Junichiro Shiomi
  • Journal Title: Nano Energy Volume: 13 Pages: 601-608
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2015.03.038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effective phonon mean free path in polycrystalline nanostructures (2015)
  • Author(s): Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 未定
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Probing and tuning inelastic phonon conduction across finite-length interface (2014)
  • Author(s): Takuru Murakami, Takuma Hori, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 7 Issue: 12 Pages: 121801-121801
  • DOI: 10.7567/apex.7.121801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Origin of anomalous anharmonic lattice dynamics of lead telluride (2014)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of mass contrast in alloy phonon scattering (2014)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal conductivity of bulk nanostructured lead telluride (2014)
  • Author(s): Takuma Hori, Gang Chen, Junichiro Shiomi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 104 Issue: 2 Pages: 021915-021915
  • DOI: 10.1063/1.4862323
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal resistance and phonon scattering at the interface Between carbon nanotube and amorphous polyethylene (2013)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Importance of local force fields on lattice thermal conductivity reduction in PbTel-xSex alloys (2013)
  • Author(s): Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori, Keivan Esfariani, Junichiro Shiomi
  • Journal Title: Europhysics Letters Volume: 102 Issue: 4 Pages: 46002-46002
  • DOI: 10.1209/0295-5075/102/46002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phonon transport analysis of silicon germanium alloys using molecular dynamics simulations (2013)
  • Author(s): Takuma Hori, Takuma Shiga, and Junichiro Shiomi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 113 Issue: 20
  • DOI: 10.1063/1.4807301
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Thermal conductivity reduction mechanism in Si 1D phononic crystals at room temperature (2015)
  • Author(s): Jeremie Maire, Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Masahiro Nomura
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川
  • Year and Date: 2015-03-12
• [Presentation] 多結晶体構造におけるフォノンの平均自由行程のシミュレーション (2014)
  • Author(s): 堀 琢磨, 塩見 淳一郎, Chris Dames
  • Organizer: 第6回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • Place of Presentation: くにびきメッセ, 島根
  • Year and Date: 2014-10-22
• [Presentation] Thermal Conductivity Calculation of Magnesium Silicide Alloys by lattice Dynamics and Molecular Dynamics (2014)
  • Author(s): Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, Junichiro Shiomi
  • Organizer: The 15th International Heat Transfer Conference
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館，京都
  • Year and Date: 2014-08-11
• [Presentation] Phonon transport calculations of crystals with strong anharmonicity, disorders, interfaces, and nanostrctures (2014)
  • Author(s): Junichiro Shiomi. Takuru Murakami, Takuma Hori, Takuma Shiga
  • Organizer: 8th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena -Science and Engineering-
  • Place of Presentation: Santa Cruz, USA
  • Year and Date: 2014-07-14
• [Presentation] Effective mean free path prediction in nanostructures by using numerical transmission model (2014)
  • Author(s): Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames
  • Organizer: 8th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena -Science and Engineering-
  • Place of Presentation: Santa Cruz, USA
  • Year and Date: 2014-07-14
• [Presentation] 焼結シリコン界面の熱コンダクタンス (2014)
  • Author(s): 坂田 昌則, 小宅 教文，Jeremie Maire，堀 琢磨，野村 政宏，塩見 淳一郎
  • Organizer: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松・コングレスセンター, 静岡
  • Year and Date: 2014-05-23
• [Presentation] ナノ構造や界面のフォノン輸送物性にもとづく熱伝導制御ストラテジ (2014)
  • Author(s): 塩見 淳一郎, 志賀 拓麿, 堀 琢磨, 小宅 教文, 村上 拓, 坂田 昌則, 三浦 飛鳥
  • Organizer: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松・コングレスセンター, 静岡
  • Year and Date: 2014-05-22
• [Presentation] 準弾道フォノン輸送の界面熱抵抗 (2014)
  • Author(s): 堀 琢磨, 塩見 淳一郎
  • Organizer: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松・コングレスセンター, 静岡
  • Year and Date: 2014-05-21
• [Presentation] シリコンー次元周期ナノ構造における熱伝導率低減の起源に関する考察 (2014)
  • Author(s): Jeremie Maire, 堀 琢磨, 塩見 淳一郎, 野村 政宏
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス, 相模原
  • Year and Date: 2014-03-19
• [Presentation] バルクナノ構造化熱電材料における界面構造のフォノン輸送への影響 (2013)
  • Author(s): 村上 拓, 堀 琢磨, 志賀 拓麿, 塩見 淳一郎
  • Organizer: 第5回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台国際センター, 仙台
  • Year and Date: 2013-11-07
• [Presentation] モンテカルロ法を用いた鉛テルル/ナノ結晶系のフォノン輸送解析 (2013)
  • Author(s): 堀 琢磨, 塩見 淳一郎
  • Organizer: 第10回日本熱電学会学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学豊田講堂, 名古屋
  • Year and Date: 2013-09-09
• [Presentation] Investigations of the lattice thermal conductivity of Mg2Si from first principles (2013)
  • Author(s): Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
  • Organizer: The 32st International Conference on Thermoelectrics
  • Place of Presentation: Kobe, Japan
  • Year and Date: 2013-07-03
• [Presentation] 中温度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, 堀 琢磨, 村上 拓, 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, 仙台
  • Year and Date: 2013-05-30
• [Presentation] ナノ構造化された熱電変換材料におけるフォノン輸送のモンテカルロ解析 (2013)
  • Author(s): 堀 琢磨, 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, 仙台
  • Year and Date: 2013-05-30
• [Presentation] Mode dependent phonon transport analysis of nanostructured thermoelectric materials by Monte Carlo simulations (2013)
  • Author(s): Takuma Hori, Junichiro Shiomi
  • Organizer: Material Research Society
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2013-04-03
• [Presentation] Monte Carlo simulations of mode dependent phonon transport in nanostructured thermoelectric materials (2013)
  • Author(s): Takuma Hori, Junichiro Shioni
  • Organizer: American Physical Society March Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore, USA
  • Year and Date: 2013-03-22
• [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
  • 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: 2012-09-23
• [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): 志賀拓麿, 村上拓, 堀琢磨, Esfarjani Keivan, Chen Gang, 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: 2012-09-23
• [Presentation] 分子動力学法によるPbTel-xSex合金の格子熱伝導解析 (2012)
  • Author(s): 村上拓, 志賀拓麿, 堀琢磨, Tian Zhiting, Esfarjani Keivan, Chen Gang, 塩見淳一郎
  • Organizer: 第9回日本熱電学会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学東工大蔵前会館, 東京
  • Year and Date: 2012-08-28
• [Presentation] Molecular dynamics study on lattice thermal conductivity of PbTe1-xSexalloys (2012)
  • Author(s): Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori, Zhiting Tian, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
  • Organizer: The 31st International a 10 th European Conference on Thermoelectries
  • Place of Presentation: Aalborg, Danmark
  • Year and Date: 2012-07-12
• [Presentation] Microscopic mechanism of 10w thermal conductivity in lead telluride (2012)
  • Author(s): Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Jie Ma, Olivier Delaire, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
  • Organizer: The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectries
  • Place of Presentation: Aalborg, Danmark
  • Year and Date: 2012-07-12
• [Presentation] Probing phonon transport properties of silicon germanium alloy crystals by molecular dynamics (2012)
  • Author(s): Takuma Hori, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi
  • Organizer: The 31st International &10th European Conference on Thermoelectries
  • Place of Presentation: Aalborg, Danmark
  • Year and Date: 2012-07-10
• [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, 丸山茂大, 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: 2012-06-01
• [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)
  • Author(s): 志賀拓麿, 堀琢磨, 丸山茂夫, 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: 2012-06-01
• [Presentation] 分子動力学法による鉛テルルの格子熱伝導解析 (2012)
  • Author(s): 村上拓, 志賀拓磨, 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
• [Remarks] 研究者の研究成果に関するwebページ
  • URL: http://www.thml.t.u-tokyo.ac.jp/thori.html