2013 Fiscal Year Annual Research Report
第一原理に基づいた熱伝導解析によるバルク熱電変換素子の高性能化
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23760178
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
塩見 淳一郎 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40451786)
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| Keywords | 熱電変換 / 熱伝導 / 第一原理計算 / 格子動力学 / 分子動力学 |
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| Research Abstract |
昨年度までの研究で開発した，第一原理に基づく非調和力定数の計算，および格子動力学法/分子動力学法による単結晶/合金結晶のフォノン輸送物性と熱伝導率の計算を行うツールを，フォノン・ボルツマン輸送方程式にシームレスに練成させることによって，本研究の目的の１つとしてきたマルチスケールフォノン輸送解析ツールを構築した．具体的には，モード依存のフォノン緩和時間，格子動力学から計算したフォノン群速度や状態密度，モデル化したフォノンの界面透過関数を合わせて，フォノン・ボルツマン輸送方程式に組み込むことにより，ナノ構造を有する材料の有効熱伝導率の解析を実現した．なお，ボルツマン輸送方程式は複雑な界面形状に対応できるようにモンテカルロ法によって解いた．これを用いて，例えば，最近の実験において高い熱電性能指数が報告されている鉛テルル母材中にストロンチウムテルルのナノ構造が析出した材料の熱伝導率の理論限界を同定した．さらに，周波数ごとのフォノンの熱伝導率への寄与が計算できる利点を活かして，ナノ構造が主に低周波数フォノンの熱伝導率を低減することを定量的に明らかにした．これによって，合金などのナノ構造と周波数特性の異なる構造を組み合わせることによって，更なる性能の向上が見込まれることも示した．
加えて，より正確かつ微視的なフォノン透過関数の計算も行った．具体的には，シリサイド系や鉛テルル系によって構成される2次元界面系の平衡分子動力学シミュレーションを行い，界面を挟んだ2つの原子層の速度時系列の相互相関関数から周波数に依存したフォノン透過関数を計算した．これを界面の物理化学的状態を変えて行うことによって，界面状態のフォノン透過関数に与える影響を明らかにした．
以上によって，可能な限り原理原則に基づいたバルク熱電変換材料の熱伝導解析ツールを構築し，材料デザインにおける有用性を示した．
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