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Design and Optimization of Phonon Thermal Diode using Carbon Nanomaterials

Research Project

Project/Area Number 18K04879
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

TANAKA Yukihiro  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00281791)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords熱ダイオード / 熱整流効果 / フォノンダイオード / 非平衡分子動力学法 / 非対称散乱体 / 熱整流 / グラフェンナノリボン / 構造欠陥 / 単層カーボンナノチューブ / グラフェンシート / 欠陥 / 格子力学モデル / 熱伝導 / 熱コンダクタンス / カーボンナノチューブ / 整流効果
Outline of Final Research Achievements

In this research, based on the phonon rectification mechanism that we have proposed earlier, we have developed a "phonon diode" that can strongly flow heat in a specific direction. Specifically, we designed a device that generates asymmetric heat conduction by introducing a triangular structural defect into graphene nanoribbons, which have extremely excellent thermal conductivity. The thermal rectification effect of the designed thermal diode was systematically investigated using a non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulation, but the expected thermal rectification effect was not obtained. However, when a device was designed with a triangular structural defect plus line defects limiting the phonon path, a thermal rectification efficiency of approximately 23% was obtained in the low temperature region (about 50K).

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電気回路におけるダイオードの発見がエレクトロニクス産業の大きな発展に寄与したのと同様に、熱を一方向に流すことのできる熱ダイオード(フォノンダイオード)の開発は、学術的にも工学的にも大変重要である。熱の整流デバイスは未だに開発されておらず、この研究の成果は、次世代のナノデバイスにおける熱の制御の新たな展開をもたらすと期待される。具体的には、ナノ電気力学系の駆動の際に発生する熱や雑音を素早く取り除くためのデバイスに応用が考えられるが、我々が得た熱整流効率(50Kで23%)では実用上は応用が難しく、更なる熱整流効率の向上が必要である。

Report

(4 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • 2018 Research-status Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2021 2019 2018

All Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Presentation] 非対称欠陥を有するグラフェンリボンの熱整流効果の 非平衡分子動力学法による数値解析2021

    • Author(s)
      平翼玖,田中之博
    • Organizer
      第56回応用物理学会北海道支部/第17回日本光学会北海道支部 合同学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 非対称欠陥を有するグラフェンナノリボンの熱整流効果の 非平衡分子動力学法による数値解析2021

    • Author(s)
      平翼玖,田中之博
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 磁気弾性体を用いた 2 次元フォノニック結晶界面における界面弾性波の磁場制御2019

    • Author(s)
      田中之博
    • Organizer
      第40回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粘弾性散乱体の周期配列からなる 2 次元フォノニック結晶における弾性波伝播2018

    • Author(s)
      田中之博
    • Organizer
      第39回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
    • Related Report
      2018 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2022-01-27  

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