| Project/Area Number |
20K05681
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
Hirayama Naomi 島根大学, 学術研究院理工学系, 准教授 (70581750)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 熱電材料 / 第一原理計算 / 機械学習ポテンシャル / シリサイド / 不純物ドープ / KKR-CPA法 / 不純物添加 / 格子欠陥 / ハイブリッド法 / ボルツマン方程式 / マグネシウムシリサイド / ストロンチウムシリサイド / 熱電物質 / 等電子不純物 / 化学圧力 / 有効質量 / ゼーベック係数 / 熱電効果 / 界面 / 機械学習 |
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| Outline of Research at the Start |
高効率かつ環境低負荷な新規熱電材料の創成を目指し，理論・数値計算・実験を連動させた材料設計に向けた基盤技術を構築する．従来理論と実験の乖離の原因とされる，結晶粒界や電極界面の効果に着目し，不純物ドープMg2Siの微細構造が熱電物性に及ぼす影響を解明する．粒界や欠陥はどの無機材料にも存在し得るものであり，系の物性を支配する要因の一つである．本研究により，これらの効果を理論的に扱うことが可能になれば，熱電材料開発のための強力なツールになると期待される．
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| Outline of Final Research Achievements |
Our first-principles calculations for Mg2Si systems doped with impurities have revealed that substituting Mg atoms with iso-electronic impurities (such as Ca) results in favorable electronic states for improving thermoelectric performance. Calculations for impurity-doped SrSi2 systems reproduced the narrow band gap and revealed the influence of point defects on their carrier conduction.
Furthermore, the effects of phonons on the electrical conductivity of Sb-doped Mg2Si systems were elucidated through electronic state calculations using the KKR-CPA method and thermoelectric calculations based on the Kubo-Greenwood formula. Moreover, the observed behavior in Ag-doped systems in experiments was successfully reproduced.
Moreover, molecular dynamics calculations using a machine learning potential successfully reproduced stable structures obtained from first-principles calculations. However, there remain challenges in terms of computational cost for replicating polycrystalline structures.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
近年，エネルギー資源の枯渇と環境汚染の問題が加速するなか，熱電変換技術の本格的な普及が望まれている．しかし，既存の主要な熱電材料はBiやTe, Pb等の重金属を含むものが多く，毒性や資源希少性の問題があった．近年厳しさを増す環境規制と資源問題に対応し，かつ高出力な新規熱電材料の開発が喫緊の課題である．
本研究で作成した高精度な機械学習ポテンシャルや，熱電半導体Mg2Siの有限温度における物性値をよく再現することが示されたKKR-CPA法に基づく計算手法は，材料の微視的構造や熱電輸送特性を調査する上で強力なツールになると期待される．
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