2015 Fiscal Year Research-status Report
第一原理に基づいたナノ構造化バルク熱電変換材料の熱伝導解析
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15K17982
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
志賀 拓麿 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10730088)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | フォノン輸送 / 界面熱輸送 / フォノンコヒーレンス / 熱電変換 / 分子動力学法 / 格子動力学法 / グリーン関数法 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，密度汎関数法と分子動力学法，格子動力学法を組み合わせたハイブリッドな計算手法を用いて，ナノ構造界面における熱(フォノン)輸送を実施し，界面におけるフォノンの弾性・非弾性散乱が界面熱コンダクタンスに与える影響を明らかにする．次のフォノンのコヒーレンス長を非経験的手法を用いて見積もり，フォノンの平均自由行程と比較することで，これまであいまいだったフォノンの波動性と粒子性を切り分ける上で必要な特性長を整理・評価する．最後に，これまでの計算・解析結果を組み合わせることで，切り分けが難しい界面領域とバルク領域におけるフォノンの輸送形態の違いを明確にし，熱伝導率を大幅に低減することが可能な界面構造を有する高性能ナノ構造化バルク熱電材料の提案に繋げることを目的とする．本年度は界面熱輸送解析を実施するために必要なフォノン波束と非平衡グリーン関数法のプログラムを開発した．さらに比較的簡単な界面に対して，経験的・非経験的な力場のもとで界面熱コンダクタンスを計算し，開発したプログラムの妥当性を検証した．一方，コヒーレンス長の計算については，経験的な力場を用いた分子動力学シミュレーションを行い，シリコンと固体アルゴンのバルクと超格子系のコヒーレンス長を計算し，フォノンコヒーレンス長との比較を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
界面熱輸送解析ではフォノン波束動力学法と非平衡グリーン関数法，一方コヒーレンス長に対しては分子動力学法に基づいた解析手法を開発し，簡単な系で計算手法の妥当性を検証した．非経験的な力場を用いた計算の始めており，複雑なナノ構造界面における定量的な界面熱輸送解析に向けて準備を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
界面熱コンダクタンスは界面におけるフォノンの弾性・非弾性散乱によるものであるが，これまで非弾性散乱の影響を直接的に調べられてこなかった．今後はこれまでに開発した計算ツールを用いて，弾性・非弾性散乱それぞれが界面熱コンダクタンスに耐える影響を評価する．さらにこれまでに得られた格子非調和性に関する知見をもとに，界面フォノン非弾性散乱を促進または抑制する界面と界面近傍における格子非調和性を調べ，界面熱コンダクタンス制御に向けた界面構造の設計指針を得る．フォノンコヒーレンス長については，今年度に実施した計算を引き続き進め，構造制御における特徴長さを決定するための指針を得る．
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