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Study of phonon transport mechanism of phosphide thermoelectric materials with Ag-P cluster structure

Research Project

Project/Area Number 20K15021
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionJapan Advanced Institute of Science and Technology

Principal Investigator

Miyata Masanobu  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 講師 (60815736)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywordsフォノン輸送 / 非調和性 / リン化物 / 実験 / 第一原理計算 / 非調和 / 格子熱伝導率 / 熱電変換 / フォノン輸送現象 / 単結晶 / 熱伝導率 / フォノン
Outline of Research at the Start

本研究では,リン化物Ag3P6Si3Sn2中のAg-Pクラスター構造が及ぼすフォノン輸送のメカニズムを,実験と理論の両アプローチから明らかにし,環境調和型高性能リン化物熱電材料の開発を行う.
実験では,Pを過剰に導入することで,Ag-Pクラスター構造を変えたAg3P6+xSi3Sn2の単結晶試料を合成し,結晶構造解析・電子物性・熱伝導率を測定する.
理論では,Ag3P6+xSi3Sn2の結晶構造のモデリングおよび構造安定性の解析を行い,それらの構造に対してフォノン輸送係数を計算する.
これら実験・理論の比較検討により,クラスター構造制御による新しい格子熱伝導率制御の材料設計指針を確立する.

Outline of Final Research Achievements

In this study, the phonon transport mechanism of Ag-P compounds such as Ag3P6Si3Sn2 was clarified in detail by making full use of experimental and theoretical calculations in a concerted manner, aiming to establish a material design guideline for low lattice thermal conductivity.
The Ag-P compounds Ag3P6Si3Sn2, Ag3SnP7, and AgP2 all exhibit extremely low lattice thermal conductivity at room temperature due to strong phonon-phonon scattering caused by the large phonon anharmonicity of the Ag atoms in the crystal, as revealed both experimentally and theoretically.
The results of this study have successfully proposed a new candidate material group of Ag-P compounds from the viewpoint of not only thermoelectric conversion but also phonon engineering.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は,低い格子熱伝導率を示すAg-P化物のフォノン輸送メカニズムを,実験及び高次の非調和フォノンの寄与を考慮した理論計算の協奏的アプローチにより明らかにしたものであり,Ag-P化物以外にも適用範囲を広がられる可能性を秘めた学術的意義の高い成果である.
また,熱電変換材料やフォノンエンジニアリングの観点においても,重要な成果であり,昨今の社会情勢において重要な役割を担う再生可能エネルギーの分野の発展の一助につながり,社会的にも大きな意義を持つ.

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] Transport properties of binary phosphide AgP2 denoting high Hall mobility and low lattice thermal conductivity2022

    • Author(s)
      Miyata Masanobu、Koyano Mikio
    • Journal Title

      Materials Research Express

      Volume: 9 Issue: 5 Pages: 055901-055901

    • DOI

      10.1088/2053-1591/ac6ccc

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Anharmonic vibration of Ag atom in low lattice thermal conductivity chain structure phosphide Ag<sub>3</sub>SnP<sub>7</sub>2021

    • Author(s)
      Miyata Masanobu
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 130 Issue: 3 Pages: 035104-035104

    • DOI

      10.1063/5.0056172

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 実験と第一原理電子・フォノン輸送計算の協奏による新規熱電材料探索のDX2023

    • Author(s)
      宮田全展
    • Organizer
      サスティナブルイノベーション研究領域シンポジウム「デジタルトランスフォーメーション(DX)の現状とサスティナブルイノベーションへの展開」
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ローンペアを持たないAg-P化物Ag6Si6Sn4P12の非調和フォノン2023

    • Author(s)
      宮田 全展,阿部 大介, 小矢野 幹夫
    • Organizer
      第70回応用物理学会 春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 二元系リン化物AgP2の電子・フォノン物性とAg原子の大きな非調和フォノン散乱2022

    • Author(s)
      宮田 全展,小矢野 幹夫
    • Organizer
      第19回日本熱電学会学術講演会(TSJ2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] メカニカルアロイングを用いた低い格子熱伝導率を持つリン化物AgP2の合成2022

    • Author(s)
      清見渓, 宮田 全展, 小矢野 幹夫
    • Organizer
      第19回日本熱電学会学術講演会(TSJ2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ボールミル装置を用いたNiSi3P4の合成とフォノン輸送特性の解析2022

    • Author(s)
      宮田 全展,小矢野 幹夫
    • Organizer
      第83回応用物理学会 秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 低い格子熱伝導率と高いホール移動度を示すAg-P化合物の輸送特性2021

    • Author(s)
      宮田 全展、小矢野 幹夫
    • Organizer
      第18回 日本熱電学会学術講演会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 添加剤を用いた遷移金属リン化物NiSi3-xInxP4系の合成と電子輸送特性2021

    • Author(s)
      水野真衣、宮田全展、小矢野幹夫
    • Organizer
      第18回 日本熱電学会学術講演会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 自己無撞着フォノン計算を用いたAg-P化合物の非調和フォノンの解析2021

    • Author(s)
      宮田 全展,小矢野 幹夫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Thermoelectric properties of composite phosphide CuP2 and Cu3P2021

    • Author(s)
      Masanobu Miyata and Mikio Koyano
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
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      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 鎖状構造を有するリン化物の合成と非調和フォノン計算2021

    • Author(s)
      宮田 全展, 小矢野 幹夫
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 自己フラックス法によるAg3P6Si3Sn2単結晶の合成と電子物性2020

    • Author(s)
      阿部大介,宮田 全展,小矢野 幹夫
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 自己フラックス法により合成した単結晶Ag3P6Si3Sn2のAg欠損の第一原理解析2020

    • Author(s)
      阿部 大介, 宮田 全展, 小矢野 幹夫
    • Organizer
      第17回 日本熱電学会学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Book] 計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発動向,第2章 第一原理電子・フォノン計算と実験を活用したリン化物熱電材料の創製(p. 172-p. 180, 9ページ))2022

    • Author(s)
      森 孝雄 / 塩見 淳一郎
    • Total Pages
      214
    • Publisher
      ㈱シーエムシー・リサーチ
    • ISBN
      9784910581187
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] 計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発動向2021

    • Author(s)
      森 孝雄, 塩見 淳一郎 監修
    • Total Pages
      214
    • Publisher
      株式会社 シーエムシー・リサーチ
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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