2013 Fiscal Year Annual Research Report
有機材料とナノ構造体材料における熱電効果の理論研究
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12F02501
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
浅井 美博 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 副研究部門長
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
BURKLE Marius Ernst 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 外国人特別研究員
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| Keywords | ナノ構造熱電材料 / 有機熱電材料 / 変換効率ZT / 非平衡伝導理論 / 第一原理計算 / 量子フォノン輸送 / 分子接合系 / 分子コンポジット材料 |
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| Research Abstract |
昨年度は有機材料の熱電特性に関して、化学修飾による制御可能性にフォーカスを当てた研究を行った。特に、分子電極界面、分子構造・分子配向と化学組成が熱電特性に及ぼす影響が興味の中心であった。終了した課題と、その過程で生じた方法論開発に関わる新たな課題を要約する。
1. パラシクロファン誘導体の熱電特性 : この課題研究は昨年度開始し数ヶ月前に終了した。積層厚を系統的に変えてシクロファンを研究する事により、熱電特性の厚さ依存性を研究した。この分子の電気伝導度はトンネル機構に従い、厚の指数関数に比例して減衰するが、熱起電力は厚に比例して増大する。ベンゼン環2個から構成される最小厚のシクロファン([2.2]パラシクロファン)では熱起電力Sは負の値を取るが、厚さを増すとLUMO伝導からHOMO伝導へと変化し、熱起電力の符号は正に変わる。フォノン熱伝導度は電子熱伝導度より一桁大きな値を持ち、常温においてもフォノンが熱伝導度において支配的である。[2.2]パラシクロファン機能性誘導体を用いる事により、熱電特性に対する置換基効果を調べた。具体的にはパラ位にある2つの水素を電子供与基または電子吸引基に置換した。その結果、熱起電力Sの符号がハメット定数と相関している事を見出した。NH2やOHの様な電子供与基は分子をp伝導的(S>0)にし、NO2やCOCF3の様な電子吸引基は分子をn伝導的(S<0)とする。どちらの場合でも熱起電力Sの絶対値は著しく増大するので、熱電変換効率ZTを向上する効果がある。これらの改良効果はあるものの、フォノン熱伝導度の大きさが災いしてZTの値は小さなままに留まる。これまでの議論ではフォノン熱伝導は散乱効果を無視した弾道伝導機構を仮定して来た。フォノン・フォノン散乱効果は高温領域においてフォノン熱伝導度を抑制し、ZTを増大させる効果がある。ZTの定量的な議論にはフォノン・フォノン散乱のような散乱効果を理論計算に取り入れる事が重要であるが、この点に関する方法論開発研究は引き続き重要な研究課題となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
フォノン伝導面関する第一原理計算手法開発はおおよそ終了したので、開発した計算手法を多くの原子、分子スケール接合系に適用している。大変興味深い結果を生み出していると同時に、新たな課題も幾つか見つかり始めている。これらの課題は純粋に理論枠内の問題解決がまず必要ではあるが、同時に実験・理論の共同が必要な問題でもある。エネルギー変換過程の微視的な研究を完了する為には、非線形効果、特にフォノン自由度におけるその影響を理論計算に取り入れる事は大変重要である。この問題に関する研究を引き続き継続している。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在行っている研究のゴールの一つは、より複雑な分子の熱電特性の解明にある。その為には、より大きなシステムサイズを扱い、より多様な分子を取り扱う事が必要である。その事により熱電特性を向上する為に必要な大きな探索自由度が生まれる。次に、熱電特性例えばZTや熱伝導度の計算精度を上げる事が重要である。その為、フォノン・フォノン散乱効果の様な非線形効果を第一原理的に取り入れる為の方法論開発に大きな努力を払う必要がある。既に今までに理論基盤の研究は完遂した。残った問題は効率的な計算プログラムの開発であり、その研究を現在進めている。
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