2018 Fiscal Year Annual Research Report
Control of thermal transport by advanced spectral phonon engineering
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16H04274
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
塩見 淳一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40451786)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 拓麿 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10730088)
内田 健一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (50633541)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱工学 / フォノンエンジニアリング / 熱輸送制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電変換材料の性能を向上するには電気伝導率と独立に熱伝導率を低減することに加えて、起電力（ゼーベック係数）自体を増大させるシナリオが必要である。そこで、フォノンドラッグ効果を利用してゼーベック係数を向上することを念頭に、フォノンドラッグ効果を評価した。具体的には、平均粒径が50 μmのシリコンナノ粒子焼結体を作製して、熱伝導率およびゼーベック係数の温度依存性を測定した。作製したシリコンナノ粒子焼結体の熱伝導率およびゼーベック係数は、単結晶シリコンのそれと比べて大きく低下した。ボルツマン輸送に基づく理論モデル計算を用いて解析した結果、ゼーベック係数の低減はフォノンドラッグ効果のサイズ依存性によるものであることがわかった。また、フォノンドラッグ効果に寄与するフォノンの平均自由行程は熱伝導に寄与するそれに比べて長いことがわかった。これらより、直径数nmのナノ析出構造などの高周波数（短平均自由行程）のフォノンを選択的に散乱する適切なナノ構造の導入することで、フォノンドラッグ効果を活かしながら熱伝導率を低減することにより熱電性能が向上できる可能性を示した。
これまでの研究で明らかにした各種の効果を合わせて、シリコンを基盤とした環境親和型および低コスト材料の無次元性能指数（ZT）を向上するべく、前年度に引き続き、ナノ粒界，ナノドット，ナノ空孔、金属ナノ粒子などのナノ構造を有するナノシリコン複合材の開発を進めた。メタルアシストエッチングにより作製したポーラス・シリコンナノワイヤーをプラズマ焼結によって高密度化しながら複雑ナノ構造化することで、上記の様々なナノ構造を階層的な長さスケールで作り込んだ。得られた材料は非常に低い熱伝導率を示しながらも、高いパワーファクターを維持し、ほぼシリコンのみを用いた材料としては非常に高い値であるZT=0.3＠室温を実現することに成功した。
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| Research Progress Status |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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