2015 Fiscal Year Research-status Report
内包イオンの局所対称性の破れが誘起するクラスレートの高い熱電変換特性の物理的起源
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26400381
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中山 恒義 北海道大学, ―, 名誉教授 (80002236)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
兼下 英司 仙台高等専門学校, 総合科学系, 准教授 (60548212)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | クラスレート / 熱電変換物質 / 中性子非弾性散乱 / THz振動数 / 熱伝導 / ガラス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
クラスレート化合物では、ナノスケールの籠がネットワークを形成し、これらの籠内に原子イオン（内包イオン）を取り込むことができる。籠ネットワークは並進対称性を有する結晶構造を示すが、内包イオンは籠サイズが大きくなると対称性が破れた状態をとる。内包イオンがカゴの中心からずれランダムな角度配置とるこれらのクラスレート物質群は、全温度領域でガラス的な特異な振る舞いを示すことが実験的に知られてきた。特にガラス的な熱伝導性を示すものは、高い熱電変換性能指数ZT (Figure of Merit)を示し、再生可能エネルギー利用に資する物質として特に多くの関心を集めている。
これらの特異なガラス的熱物性の物理的起源に関する研究には、理論的に未解決な多くの問題が残されている。27年度は、熱電変換クラスレート物質で、内包イオンが籠の中心位置からずれた配位をとる系、ならびに内包イオンが中心位置をとり対称性を有する系を対比して、理論研究をさらに深化させた。具体的には、対称性の破れがガラス的な熱物性の起源であることを実証するためには、大規模クラスレート系(120x120x120籠格子)を直接扱う必要があり、27年度はこの課題に対して、スパーコンピュータを用いて大規模計算を行った。非弾性コヒーレント中性子散乱実験で得られる動的構造因子S(Q,E)、THz振動数領域で発現するボソン・ピークに相当する比熱 C(T)、これに付随する励起振動モードの局在性を実証するため分配比(Partition Ratio)の計算を行い、多くの新しい知見を得た。
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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
高効率の熱電変換物質を発見する際の重要な指針は、「ガラスのような低フォノン熱伝導と同時に結晶のような高電気伝導を有するものが理想的な熱電変換を示す」という自己矛盾的な概念であり、これをクリアーする物質群を見出すことが最大の課題である。この概念を具現化する熱電変換物質クラスレ－トを対象に理論研究を行ってきた。
27年度は、ガラスのような極めて低いフォノン熱伝導を示すクラスレートを対象にして、その物理的起源を実証すべくスパーコンピュータを利用して大規模数値計算を遂行した。局所的対称性の破れとガラス的な熱物性の関連を明らかにすべく大規模120x120x120籠格子に対して、スパーコンピュータを用いた大規模計算を行い多くの新しい知見を得た。特に、独自に開発したアルゴリズムである強制振動子法(Forced Oscillator Method)を適用し、非弾性コヒーレント中性子散乱実験で得られる動的構造因子S(Q,E)、THz振動数領域で発現するボソン・ピーク、これに該当する励起振動モードの空間的局在性、に関する計算を行った。内包イオンとネットワークを組んだ籠との相互作用の結果発現するTHz領域でのフォノン分散関係の大きな変化が、ガラス的なフォノン熱伝導の起源であることを示した。これにより熱伝導のプラトーの発現の物理的起源が明らかになった。また、本研究の計算結果と中性子散乱実験で得られた動的構造因子の結果を比較した。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度は、3年計画の本研究プロジェクトの最終年度になる。過去2年間の研究では、１）ゲストイオンの配位が局所的に破れた籠状クラスレートが示す特異なTHzダイナミックス、２）これに関連したガラス的熱伝導度の起源、さらに、３）非弾性中性子コヒーレント散乱実験に対する理論的解釈を集中的に研究した。これにより、クラスレートがナノ・サイズの籠が規則的に並んだ結晶にもかかわらず構造ガラスと同じ振る舞いをするという奇妙な実験結果は、内包イオンの配置の対称性の破れに起因することが明白になった。
本研究プロジェクトの最終年度に当たる28年度は、局所対称性の破れに伴いTHz振動数領域に発現する新規なモードが、これまで構造ガラスで観測されてきたボソン・ピークに対応することを一般理論の立場から論じ、構造ガラスにおいてTHz振動数領域で普遍的に観測されるボソン・ピークの起源に関する研究に別の切り口から貢献する。以上の研究成果を基にして、熱電変換の実行温度領域である室温以上で、クラスレート物質の熱伝導の奇妙な振る舞いについて実証的な研究を展開する。この温度領域は量子力学的フォノン描像が成り立たない強い非線形性が効いてくる。また、これまでの研究成果を踏まえ、クラスレート以外の熱電変換物質で発現する興味深い諸現象の理論的研究も遂行する。また、分担研究者、連携研究者との情報交換を密に行い、実際に熱電変換効果が適用される室温以上の温度領域での研究を遂行し、これまでの研究をさらに掘り下げる。
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