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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Investigation of thermal and optical properties of perovskite materials by advanced phonon calculations

Research Project

Project/Area Number 21K03424
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

只野 央将  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センター, 主任研究員 (90760653)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords非調和効果 / フォノン / 密度汎関数法 / 構造相転移
Outline of Annual Research Achievements

前年度までに開発したSCP+B法を基礎にハライドペロブスカイトCsBX3(B=Sn,Pb;X=Cl,Br,I)の格子熱伝導率計算を系統的に行った。正方晶CsPbBr3に対しては、3フォノン散乱と熱流演算子の非対角成分を考慮するWigner輸送理論を組み合わせる方法で実験結果を定量的に説明可能とする第一原理計算の報告例があった。一方、中性子散乱実験による音響フォノン線幅を説明するには、3フォノン散乱過程では不十分であり、高次の4フォノン散乱過程が必要であるという知見が前年度までに得られていた。そこで本年度は、4フォノン散乱過程の熱伝導率への影響を定量的に解析した。

4フォノン散乱確率の計算はコストが非常に高く、密な逆空間サンプリングが難しい。一方、熱伝導率を収束させるには比較的密なサンプリングが必要である。これらを両立するため、4フォノン散乱確率を相対的に粗いk点メッシュで実行し、それをtrillinear interpolationを用いて密なk点メッシュに補間する対策を行った。立方晶構造に対して熱伝導率を計算したところ、400-500 K付近で0.2-0.3 W/mKと実験値を過小評価する結果になった。ハライドペロブスカイトでは非調和性が極めて強いため、フォノンの準粒子描像に基づくWigner理論が破綻している可能性が高い。熱伝導率の定量性を改善するには、自己エネルギーの振動数依存性まで考慮した熱輸送理論を用いる必要があるという結論に至った。

研究期間全体では、3次、4次非調和性を考慮した新しいフォノン分散計算手法の開発、自己無撞着フォノン理論を用いた有限温度構造最適化法の開発とその応用、非調和性が強い材料の複素誘電率の精密計算、4フォノン散乱過程のフォノン線幅と熱伝導率への影響の解明などの成果が得られた。開発した計算手法はALAMODEの新機能として公開済みである。

  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 5 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Pittsburgh/SLAC National Accelerator Laboratory/University of Connecticut(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      University of Pittsburgh/SLAC National Accelerator Laboratory/University of Connecticut
  • [Int'l Joint Research] Chalmers University of Technology/Stockholm University/NORDITA(スウェーデン)

    • Country Name
      SWEDEN
    • Counterpart Institution
      Chalmers University of Technology/Stockholm University/NORDITA
  • [Int'l Joint Research] Ca’ Foscari University of Venice/Sapienza’ University of Rome(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      Ca’ Foscari University of Venice/Sapienza’ University of Rome
  • [Int'l Joint Research] European Synchrotron Radiation Facility(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      European Synchrotron Radiation Facility
  • [Journal Article] Terahertz electric-field-driven dynamical multiferroicity in SrTiO32024

    • Author(s)
      Basini M.、Pancaldi M.、Wehinger B.、Udina M.、Unikandanunni V.、Tadano T.、Hoffmann M. C.、Balatsky A. V.、Bonetti S.
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 628 Pages: 534~539

    • DOI

      10.1038/s41586-024-07175-9

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Implementation strategies in phonopy and phono3py2023

    • Author(s)
      Togo Atsushi、Chaput Laurent、Tadano Terumasa、Tanaka Isao
    • Journal Title

      Journal of Physics: Condensed Matter

      Volume: 35 Pages: 353001~353001

    • DOI

      10.1088/1361-648X/acd831

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hydride Anion Substitution Boosts Thermoelectric Performance of Polycrystalline SrTiO3 via Simultaneous Realization of Reduced Thermal Conductivity and High Electronic Conductivity2023

    • Author(s)
      He Xinyi、Nomoto Seiya、Komatsu Takehito、Katase Takayoshi、Tadano Terumasa、Kitani Suguru、Yoshida Hideto、Yamamoto Takafumi、Mizoguchi Hiroshi、Ide Keisuke、Hiramatsu Hidenori、Kawaji Hitoshi、Hosono Hideo、Kamiya Toshio
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 33 Pages: 2213144-1~11

    • DOI

      10.1002/adfm.202213144

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Limits of the phonon quasi-particle picture at the cubic-to-tetragonal phase transition in halide perovskites2023

    • Author(s)
      Fransson Erik、Rosander Petter、Eriksson Fredrik、Rahm J. Magnus、Tadano Terumasa、Erhart Paul
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 6 Pages: 173-1~7

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01297-8

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Inverse‐Perovskite Ba3BO (B = Si and Ge) as a High Performance Environmentally Benign Thermoelectric Material with Low Lattice Thermal Conductivity2023

    • Author(s)
      He Xinyi、Kimura Shigeru、Katase Takayoshi、Tadano Terumasa、Matsuishi Satoru、Minohara Makoto、Hiramatsu Hidenori、Kumigashira Hiroshi、Hosono Hideo、Kamiya Toshio
    • Journal Title

      Advanced Science

      Volume: 11 Pages: 2307058-1~14

    • DOI

      10.1002/advs.202307058

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 非調和フォノン理論が拓く有限温度物性の第一原理計算2023

    • Author(s)
      只野 央将
    • Journal Title

      日本物理学会誌

      Volume: 78 Pages: 542~547

    • DOI

      10.11316/butsuri.78.9_542

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Anharmonic phonon theory in condensed matter physics with applications based on DFT2024

    • Author(s)
      Terumasa Tadano
    • Organizer
      RIKEN Symposium Second Workshop on Fundamentals in Density Functional Theory (DFT2024)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 第一原理フォノン計算を用いた有限温度における構造最適化2023

    • Author(s)
      只野 央将
    • Organizer
      第36期CAMMフォーラム 本例会
    • Invited
  • [Presentation] ハライドペロブスカイトにおける高次非調和効果の第一原理解析2023

    • Author(s)
      只野 央将
    • Organizer
      日本物理学会 2023年年次大会

URL: 

Published: 2024-12-25  

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