2017 Fiscal Year Research-status Report
Design of high-entropy alloy-based thermoelectric devices by first-principles simulation
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17K06772
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中村 康一 京都大学, 日本－エジプト連携教育研究ユニット, 特定准教授 (20314239)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / ハイエントロピー合金 / 第一原理計算 / デバイス設計 / フォノン物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
材料の熱電性能指数を原子レベルの単位格子を与えるだけで非経験的に評価するシミュレーション手法を確立し、ハイエントロピー合金による新規熱電変換デバイスの開発のための指針を与えることを目的に、その初期段階として平成29年度は下記の内容を実施した。
1. フォノン伝播に関するボルツマン輸送方程式と第一原理計算を結び付け、フォノン拡散関連物性値を演算する新しいシミュレーション手法を創出し、原子レベルの構造を単位格子の形で与えるだけでこれらのドープ濃度依存・温度依存を解析するプログラムコードを開発した。シンプルな単結晶材料モデルや遷移金属ダイカルコゲナイド単層モデルを用いて、新しいシミュレーション手法による結果を実測値や従来の慣習的なシミュレーション値と比較した。手法や結果の詳細について1報の論文を出版し、国内外の学会で発表した。
2. AlCrFeMnMi系ハイエントロピー合金について原子数が18288個の周期系単位格子モデルを導入し、原子挿入法やレナード・ジョーンズなどの経験的な原子間ポテンシャルを利用して分子動力学シミュレーションを行った。構造を最適化するとともに、応力やひずみに対する応答を解析してハイエントロピー合金の力学特性を明らかにした。この手法をBiSbSeTe系やAlBiCuTe系ハイエントロピー合金にも適用し、その一部を切り取った周期系モデルの第一原理計算を行った。手法や結果の詳細について、国際学会で発表した。
3. フォノン拡散関連物性値シミュレーションの対象となる系の1つであるBiSb/グラフェン系について、実験による検証のための材料作製と評価をエジプト人研究者と協力して行った。詳細について2報の論文を出版した。
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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
プログラムコードの開発は当初の予定から若干遅れているが、平成29年度中に第一原理電子状態計算とフォノン伝播に関するボルツマン輸送方程式を結びつけたフォノン拡散関連物性値シミュレーション手法を創出し、これらのドープ濃度依存・温度依存を出力するプログラムコードを完成させた。単一モード緩和時間近似によるフォノン緩和時間の影響の加味に関するシミュレーション手法の検討は終了し、プログラムコードの改良は平成30年度前半に終えることができる見込みである。分子動力学計算・第一原理計算の進行はほぼ当初の予定どおりである。また、実験による検証のための熱電変換材料作製と評価が先行して進んでおり、総合的に見ておおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度に開発したフォノン拡散関連物性値シミュレーション手法に単一モード緩和時間近似のルーチンを組み入れて、格子熱伝導率および熱電性能指数を予測するプログラムコードを完成させる。得られたシミュレーション値について、実測値や従来の慣習的なシミュレーション値と比較し、シミュレーション手法の信頼性を議論する。
並行して、大規模単位格子によるBiSbSeTe系やAlBiCuTe系ハイエントロピー合金モデルの第一原理計算を引き続き進め、力学特性値の解析を行うとともに、開発したプログラムコードを用いてこれらのハイエントロピー合金の熱電性能指数における組成依存・温度依存を導出し、想定した温度領域において熱電性能指数が最大になるようなハイエントロピー合金の最適な組成を探索する。平成30年度末までに第一原理計算を終え、得られた熱電特性評価の結果を取りまとめて成果の発表を行う。
また、MEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェア（IntelliSuite）を導入し、研究代表者が平成26～28年度の科研費・基盤研究(C)で設計したp型ナノワイヤ材料とn型ナノワイヤ材料で構成されるナノ構造熱電変換素子にシミュレーションで得られたハイエントロピー合金の熱電特性値をパラメータとして設定し、有限要素法を用いて発生する電流や温度分布を解析する。さらに、熱電アクチュエータなどの熱電変換MEMS/NEMSデバイスをIntelliSuiteにより新たに設計し、熱電特性値のほか力学特性値も設定することによって変位・振動などのデバイス挙動を有限要素法により解析して、ナノ構造に基づく熱電変換デバイス設計も最適化する。
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| Causes of Carryover |
当初の予定より学会参加回数が減じたため、旅費と参加登録費が余剰した。これらは平成30年度分の旅費・参加登録費に加えて使用する。
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Research Products
(9 results)
