2015 Fiscal Year Research-status Report
第一原理電子状態計算に基づく熱電特性評価シミュレーションの創出と新規材料の探査
| Project/Area Number |
26420665
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
中村 康一 京都大学, 日本－エジプト連携教育研究ユニット, 特定准教授 (20314239)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 熱電特性 / 第一原理計算 / シミュレーション / ナノワイヤ / ナノシート |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
材料の熱電特性を原子レベルの構造を与えるだけで非経験的に評価するシミュレーション手法を確立し、新規高性能熱電変換素子の開発のための指針を与えることを目的に、その中期段階として平成27年度は下記の内容を実施した。
1. 平成26年度開発の第一原理電子状態計算とボルツマン輸送方程式を結びつけたゼーベック係数シミュレーション手法に改良を加え、新たに作成したプログラムコードによりバルクSiやSiCのゼーベック係数が高い精度で定量的に得られることを確認した。また、低次元化による性能向上を確認するため、Si, SiC, ZnOなどの半導体ナノシートやナノワイヤに関するシミュレーションを行い、とりわけ低次元化に伴うキャリア状態密度の形状変化がゼーベック係数に与える影響を議論した。シミュレーション手法・結果の詳細は、2報の論文にまとめて出版したほか、国際学会・国内学会で発表した。
2. ゼーベック係数シミュレーションをベースに、熱電特性のトータルの性能を示す無次元性能指数ZTを与える第一原理シミュレーション手法の開発に着手し、熱伝導性のキャリア拡散項を計算するプログラムコードを完成させた（平成28年5月に国内学会で発表）。
3. 平成26年度に行ったBi-Sb合金モデルの電子状態計算やゼーベック係数シミュレーションの情報をもとに、新たにBi-Sb合金とグラフェンの複合材料モデルを導出し、電子構造や熱電特性の検討を行った。その検討結果からエジプト日本科学技術大学のグループとともにBi-Sb/グラフェン系の新規熱電材料を開発し、1報の論文を出版した。
4. 京大既存の有限要素法ソフトウェアを用いてp型Siナノワイヤとn型Siナノワイヤ材料で構成されるナノ構造熱電変換素子の初期モデル設計を検討するとともに、最適なMEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェアに関する情報収集を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度末での予定通り、平成27年度前半に第一原理電子状態計算とボルツマン輸送方程式を結びつけたゼーベック係数シミュレーション手法のプログラムコード改良を終え、新しいプログラムコードが高い精度でバルクSiやSiCのゼーベック係数を定量的に与えることを確認し、当初の予定より多くの研究成果発表（論文出版・国際学会講演）の機会を得た。また、当初の予定より発展させて、無次元性能指数ZTの第一原理シミュレーション手法開発に着手したほか、当初の予定より先んじて、Bi-Sb合金系の新規熱電変換材料作製に成功し、論文出版した。ナノ構造熱電変換素子の設計検討については、その初期設計にとして京大既存の有限要素法ソフトウェアを使用し、平成28年度よりMEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェアを新しく導入して本格的な解析をスタートさせる。総合的に見ておおむね順調に進展していると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度までに開発・改良したゼーベック係数シミュレーション手法をもとに、とりわけ一次元系での量子閉じ込め効果による性能改善を目指し、半導体系や合金系のナノワイヤモデルを中心にシミュレーションを進めていく。不純物添加によるフォノンの変化がゼーベック係数のシミュレーション結果に与える影響についても議論する。Bi-Sb合金系については、エジプト日本科学技術大学のグループとの実験による開発が一段落した後、これまでのシミュレーション結果の詳細をまとめて成果の発表を行う。
また、熱伝導性のフォノン拡散項を計算する手法を新たに導出し、プログラムコードを作成する。平成27年度に作成したプログラムコードを組み合わせて、無次元性能指数ZTを与える第一原理シミュレーションの開発を完成させる。
さらに、最適なMEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェアを新たに導入して、平成27年度に設計したSiナノワイヤによるナノ構造熱電変換素子を改良するとともに、ゼーベック係数シミュレーション手法にMEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェアの有限要素法も組み合わせて、素子全体の熱電特性を評価できるようにプログラムコードを発展させる。プログラムコード完成後には、Siに替えて他の半導体系・合金系のナノ構造熱電変換素子についても検討する。
|
| Causes of Carryover |
当初の計画では、平成27年度にナノ構造熱電変換素子の設計用として、デスクトップ型パソコンおよびMEMS設計・解析ソフトウェアを購入する予定であったが、平成27年度に遂行したナノ構造熱電変換素子の初期モデル設計では、京大既存のパソコンと有限要素法ソフトウェアを使用できたので、新規パソコンとソフトウェア購入時期を平成28年度に延期し、その間に研究進捗に最適なMEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェアに関する情報収集を行った。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
生じた次年度使用額は、新規パソコンとMEMSデバイスの設計・解析用ソフトウェア（IntelliSuiteまたはMemsONEのライセンス）の購入に使用し、ナノ構造熱電変換素子の設計・熱電特性解析を行う。その他の平成28年度請求額は当初の予定通り、主に国内・外国旅費、学会参加登録費、別刷・印刷費として使用する。
|
Research Products
(12 results)
