2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel heat conduction control method on the basis of the clarification of thermal transport modulation by external electric field and charge injection
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20H02080
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
志賀 拓麿 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10730088)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
児玉 高志 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (10548522)
千足 昇平 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50434022)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノスケール熱伝導 / 二次元材料 / 第一原理計算 / ナノ・マイクロ加工 / ラマン測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
伝導・蓄熱・変換など熱を自在に操る熱マネージメントのさらなる高度化に向けては、熱スイッチや熱ダイオードなどの熱機能性を有する材料やデバイスの創製と熱伝導制御の確立が求められている。熱伝導に支配的な格子振動(フォノン)の状態や輸送特性を決定する原子間力定数はフェルミ面近傍の電子のヘルマン・ファインマン力によって決まることから、電場印加や電荷注入によって、ヘルマン・ファインマン力に関わる電子の軌道のミスマッチや電子バンドを変調させることで、フォノン輸送特性を制御することが狙える。本研究課題では電場印加・電荷注入による二次元材料の面内熱伝導変調メカニズムを理論的に解明し、熱輸送制御に向けた基礎学理を深化させることを目的とする。このような外場印加はゲート制御によって実現できることから、低(高)熱伝導率から高(低)熱伝導への変化を瞬時に行うことができる、さらにはゲート電極を非一様に配置することで、熱伝導性を空間的に変化させることもできる。このような時間・空間的に非一様な熱伝導変調は輸送の非相反性につながることから、熱ダイオードなどの新規熱機能特性の実現につながる。本熱伝導変調現象の工学的価値を高めるためには、実材料・デバイスを念頭においた取り組みも必要である。したがって、本課題では理論・数値解析に留まらず、ラマン分光やナノ材料の熱伝導計測を実施することで、上述した外場による熱伝導制御の実験的な実証に挑戦し、革新的な熱制御シーズの創生をもたらす学理・技術基盤の構築を目指す。
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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
二次元ヘテロ積層・接合系については、二層硫化モリブデン(MoS2)と二層六方晶窒化ホウ素(h-BN)を対象とし、積層方向に電場を印加した状態でフォノン分散関係や面内のフォノン輸送計算を実施した。印加電場強度を増加すると、ゾーンセンター近傍の横波光学フォノンの周波数がややソフトニングするものの、その他のフォノンの周波数は電場に対して影響を受けないことがわかった。分散関係が変調しなければ、フォノン-フォノン散乱の散乱位相空間も変化しないが、予想に反し、MoS2とh-BNの面内熱伝導率は印加電場強度に対して単調的に減少することが明らかになった。電場印加による積層方向の系の対称性が低くなったことにより、面内熱伝導に支配的である面外横波音響(ZA)モードの散乱頻度が増加したものと考えられることから、電場印加による三次非調和原子間力定数の変化および、散乱頻度が増加したフォノン-フォノン散乱チャネルの同定など、フォノン散乱のさらなる解析を実施することで、メカニズム解明を狙う。また、熱伝導性を変調する際に効果的な二次元材料の組み合わせなどに関する知見を得るべく、電子バンドの変化と原子間力定数の相関を詳細に調べる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
電場を印加すると層間の電子密度分布が非対称になるため、層間の調和・非調和原子間力定数も変化する。本計算では同一材料を積層しているため、電極に電子が漏れない(計算が破綻しない)範囲内においては、調和・非調和原子間力定数の変化はあまり大きくないものの、非調和原子間力定数の機微な変化によって、散乱頻度が結果的に増加したものと考えられる。散乱頻度は分散関係のみで決まる散乱位相空間(運動量保存およびエネルギー保存で張られる四次元散乱空間)と非調和原子間力定数を含んだ散乱強度の積で表することができるため、各電場印加状態における散乱強度を調べることで、面内熱伝導性の変化のメカニズムを明らかにする。さらに層間の電子密度分布の対称性と非調和原子間力定数の関係を明らかにすることで、電場印加した際に面内熱伝導性がより敏感に変化するヘテロ積層系の同定を行う。本計算では電場印加のみを考えたが、外場による熱伝導性変調を包括的に理解するためには、電荷注入やひずみなどの影響も検証する必要がある。原子間力定数はフェルミ面近傍の電子によるヘルマン・ファインマン力と深く関係していることから、電荷注入では特にホール注入の効果を検討していく予定である。一方、ひずみについては同様に二次元材料に対して面内方向にひずみを印加することも考慮するが、実験的実証の観点からグラファイトインターカレーション(GIC)材料などバルク積層系を対象とする予定である。
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