2015 Fiscal Year Annual Research Report
微視的なフォノン輸送特性を利用したナノ構造の熱伝導制御
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26709009
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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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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 熱伝導 / フォノン輸送 / ナノ構造 / 界面 / マルチスケール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き，固体材料の格子（フォノン）熱伝導の制御性を向上させるために，数値解析構造設計，材料合成，物性評価を三位一体としたフォノンエンジニアリングの研究を進めた．まず，フォノンの波動性を利用した熱伝導制御の実現に向けて研究を行った．そのためには，フォノンがコヒーレントである必要があるため，分子動力学法を用いて結晶材料（単結晶や超格子構造）のフォノンのコヒーレント長を計算した．その結果，コヒーレント長は，粒子的な描像におけるフォノンの平均自由行程とは異なり，その差は周波数に強く依存することがわかった．また，原子グリーン関数法やウェーブパケット法によって，フォノン透過関数を計算した結果，Si母材中にナノ粒子を埋め込むことで，フォノンの干渉効果を発現できる可能性を示した．この干渉機構は構造の周期性を必要とせず，構造の乱れに対してロバストであることも示した．これらを踏まえて，実験において，酸化シリコンナノ粒子やゲルマニウムナノ粒子を埋め込んだ試料の熱伝導低減効果を時間領域サーモリフレクタンス法によって評価し，その温度依存性から熱伝導機構を明らかにした．一方で，低次元構造の熱伝導率については，グラフェンおよびナノチューブに関して，分子動力学法，格子動力学法，グリーン関数法を用いて，構造の幾何学，格子ひずみ，周囲環境などの熱伝導率への影響を明らかにした．さらに，ファイバーが熱的にパーコレートした複合材の開発も行った．最後に内部ナノ構造，界面/表面，不純物/欠陥などを組み合せた構造の熱伝導率をマルチスケールフォノン解析によって計算した．単に全てを足し合わせるのではなく，それぞれの効果のフォノンモード依存性を考慮して，効果的な組み合わせを明らかにした．これを通じて，Si系材料の熱伝導率を大幅に低減させる材料を設計し，得られた構造の設計指針をもとにナノ構造化シリコン材料を作製した．
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| Research Progress Status |
27年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
27年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Causes of Carryover |
27年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
27年度が最終年度であるため、記入しない。
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