2021 Fiscal Year Research-status Report
Selective Control of THermal Conduction in Convalent Materials with Hierarchal Strucutures based on Underlying Mechanism behind Supression of Thermal Conduction on multi-size scales of Interfaces
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20K05062
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
吉矢 真人 大阪大学, 工学研究科, 教授 (00399601)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱伝導 / 界面 / 粒界 / 転位 / 分子動力学法 / 第一原理計算 / 平均自由行程 / 量子伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度までに擬3元系硫化物の多階層構造におけるメゾ構造が熱伝導に与える影響を明らかにしてきた。令和3年度は、熱伝導への結晶粒径の影響の定量的理解の獲得、ならびに小傾角粒界の構成要素である刃状転位に焦点を当て、熱伝導度への影響の定量評価ならびに支配メカニズム解明を試みた。
モデル材料として多くの化合物とFCC副格子を共有するMgOを選択し、スーパーセルに結晶粒界を1対のみ入れ、粒界面における原子配列も厳密に同じ最安定状態に保ちつつ、結晶粒界面間隔を系統的に変え、結晶粒界を跨ぐ方向と結晶粒界に沿った方向の熱伝導度解析を摂動分子動力学法にて行った。
従来は熱伝導を担うフォノンの平均自由行程と結晶粒径との関係にて熱伝導低下が議論されていることが多いが、熱伝導度計算および数値解析を行った結果、結晶粒径が小さくなると共に平均自由行程に変化が生じるという従来理解とは異なり、分散曲線や状態密度に現れるフォノンの存在状態が全体的に変化することで熱伝導度が低下することが明らかとなった。
他方、配列することで小傾角粒界を構成し、あるいは異相関の格子ミスフィット緩和の為に生成される転位が熱伝導に与える影響に関しても、熱伝導度計算および数値解析を行った結果、転位による結晶並進対称性の断絶および転位が形成する線形弾性場による熱伝導変化という従来理論に拠る解釈とは異なり、転位芯近傍では結合歪が非線形的にフォノンに作用するとともに、転位芯がかなり遠方までフォノンの存在状態を変え熱電度度が変化し、結晶構造に基づく熱伝導度の異方性が転位密度上昇とともに逆転するなどの詳細理解が得られた。
これらの知見は、多階層にわたる界面構造が独立して熱伝導に影響する可算則に基づく考えとは異なり、高次構造制御による熱伝導制御が従来の外挿的理解を越え得ることを示し、多階層構造創製による伝導制御への新たな道を拓いた。
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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
前年度の研究から得られた知見から、界面の熱伝導への影響は、単なる2次元の面上の量子波動の伝播に対する阻害因子に留まらず、単階層で既に、界面での原子配列に起因した界面近傍のフォノンの存在状態に影響を及ぼしていることが示唆されている。これが事実ならば、多階層にて導入された界面構造の熱伝導への影響は単なる加算則で決まるものではなく、階層的に決定されている可能性が生じる。加算則で決まっているのでなければ、本課題の提案書での予測通り、熱伝導制御という観点からは更なる精緻な最適化が理論的には可能であることとなり、多階層界面構造の高次制御への実質的な道を拓くことに繋がるために、本課題にて極めて重要な事項である。
そこで本年度は、より普遍的な理解を深化させるために単階層界面に焦点を絞り、単界面が熱伝導を担うフォノン状態に与える影響の定量評価、そして１つの小傾角結晶粒界面を構成する刃状転位がフォノン状態に与える栄養の定量評価を行った。
研究遂行により、単界面がフォノン状態に与える影響は、従来理解を越えて広範囲に広がり、結果として熱伝導度を下げる要因である界面熱抵抗は界面間距離あるいは結晶粒径により大きく変化し、それは平均自由行程或いは緩和時間のみの変化で説明できるものではなく、フォノン状態そのものを包括的に定量的に数値解析の上で定量的に理解する必要があることが明らかとなった。更に、小傾角粒界面を形成する刃状転位のみが存在する場合は、従来理解による原子空孔列のような特異点と周辺の線形弾性場と言う理解を越え、転位芯近傍では結合歪による大きな非線形効果や線形弾性論による予測を越えたフォノン状態の変化、そして熱伝導度への影響が生じることを明らかにすることが出来た。
これらの成果は課題提案時の予測を実証するのみならず、更なる展開を可能にしたため、次年度にて想定通り革新的な展開が図れるものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題の最終年度である令和４年度は、総括として、多階層の界面構造が熱伝導に与える影響を普遍的な真理として科学的知見の深化を方策の第一とする。この際、課題の対象である熱伝導（フォノン伝導）の支配メカニズムのみならず、同時に並行して個別制御が求められる電子伝導への影響についても出来るだけ同等に普遍的な理解を得ることを通じて、多階層界面構造の高次制御を通じた、様々な工学的応用や学術的に深化させた理解を得ることを併せて第一の研究推進の方策とする。
提案書におけるモデル材料の擬三元系硫化物に関しては、各階層における熱伝導あるいは熱抵抗を整理しながら包括的に、既存の物性理論に立脚することなく数値的に明らかにする。これにより、各階層における熱伝導あるいは熱抵抗の、階層を跨いだ加算則を越えた、熱伝導制御因子の定量的理解を獲得する。
量子論による波動伝播の理解によれば、フォノンによる熱伝導と電子による電気伝導は相関関係にあるが、工学的応用の為にはその相関関係を逸脱した材料因子の解明が求められており、それが量子論に基づいた科学的理論の拡張のために求められていることである。従来は電子とフォノンという各伝導現象のキャリアの平均自由行程差（あるいは緩和時間差）で整理されてきたが、電子やフォノンの量子状態の変化と言う観点に焦点を与えることで、解析理論では相関関係とされる両伝導現象に対し、材料中に普遍的に存在する界面により生じる影響を両キャリアに対して定量解析し、それにより本課題の主目的である熱伝導の階層的界面構造の高次制御による、選択的伝導特性制御への道を拓ける、すぐさま実験検証が可能な普遍的理解を得ることを、本課題の最終年度の推進方策とする。
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| Remarks |
他助成の成果も含むことに留意。
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