Development of novel heat conduction control method on the basis of the clarification of thermal transport modulation by external electric field and charge injection

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02080
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2022); The University of Tokyo (2020-2021)
• Principal Investigator: Shiga Takuma 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (10730088)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 児玉 高志 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 客員研究員 (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) ; 岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ナノスケール熱伝導 / 低次元材料 / 第一原理非調和格子動力学法 / ナノ・マイクロ加工 / ラマン測定

Outline of Final Research Achievements

In order to reveal how modulation of interatomic interactions correlates to heat capacity, group velocity, and relaxation time determining phonon transport, we have analyzed the impacts of the change of electric states around Fermi energy and low dimensionality on thermal transport characteristics by anharmonic lattice dynamics. We found that modulation of phonon dispersion relation induced by mechanical strain and surface phonons yielded by low dimensionality largely modulate scattering phase spaces of phonon-phonon scattering and suppresses the overall heat conduction in materials.

Free Research Field

フォノン熱工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

熱伝導を担うテラヘルツ領域のフォノンの平均自由行程や波長は短いため、構造によって自在に熱伝導を制御することは容易でない。本研究で明らかにした電場や機械ひずみなどの外場や低次元化による電子状態変調や表面フォノンによる熱伝導変化メカニズムは、原子間相互作用変調を介した新たなテラヘルツフォノン制御の創生に繋がるものである。さらに、本研究で得られた熱伝導変化機構に基づいた機械学習による材料探索を実施することで、大幅で可変な熱伝導率変化を実現する低次元材料の発見も期待できる。