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第一原理および非平衡グリーン関数法を用いた熱電変換材料の熱伝導解析

研究課題

研究課題/領域番号 12J08724
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 熱工学
研究機関東京大学

研究代表者

志賀 拓麿  東京大学, 大学院工学系研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2012 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
1,800千円 (直接経費: 1,800千円)
2013年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2012年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードフォノン / 熱電変換 / 第一原理 / 合金
研究概要

昨年度は, 第一原理的に得られた原子間力定数を用いて, ボルツマン輸送方程式を逆格子空間で解く非調和格子動力学法を鉛テルライドと鉛セレン, および鉛テルライド・セレン合金結晶にそれぞれ適用した. 純結晶に対しては定量的な解析結果が得られたが, 合金系に対しては格子熱伝導率の低減を過小評価してしまい, 実験結果を再現できない課題があった. この課題を解決するためには, 合金化によって生じる局所実空間中の環境変化を考慮する必要があったため, 当該年度では実空間法である分子動力学法を用いて, 合金結晶の熱伝導解析を行った. 合金化効果のうち, 質量差変化は分子動力学法で容易に取り込むことが可能であるが, 力場差変化の取り込みは比較的難しい. 本来, 合金結晶中の原子間力定数計算は合金化割合や置換原子間の配置それぞれに対して計算する必要があるが, その計算量は極めて膨大になるため, 本研究で用いた第一原理熱伝導解析法の枠組みでは現実的でない. そこで純結晶の原子間力定数を合金化の度合いに応じて混合する経験的な方法を開発・実施し, 鉛テルライド・セレン合金の熱伝導率を計算したところ, 第一原理熱伝導解析で得られた過小評価は改善され, 実験を定量的によく再現する結果が得られた. 本方法論は鉛テルライド・セレン合金のみに留まらない一般的な方法であるため, 他の合金結晶の熱伝導解析においても適用可能であり, 様々な合金結晶の定量的な熱伝導解析に繋がる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

単結晶および合金結晶の定量的な熱伝導計算は順調に進んでおり, 方法論の確立も概ね終了しつつある. また合金化による熱伝導低減メカニズムの解明において重要な合金化効果の定量解析ツールの開発も終了し, 熱電変換の分野で求められる最適な合金化割合や置換元素の提案も可能になっている.

今後の研究の推進方策

当該年度は比較的シンプルな構造を有する純結晶および合金結晶の熱伝導解析ツールの開発と適用を行ったが, 現実系への展開に向けては, 複雑な構造を有する材料ヘアプローチしていく必要がある。また合金化が有効な材料の組み合わせを提案するためには, 分子論に立脚した合金化モデルが求められているが, 既存のモデルは力場差の変化を露に考慮していないことから, 数値解析結果を基にモデルの改善を進めることも重要である。一方, 界面熱輸送に関しては, 分子動力学法に基づいた界面熱コンダクタンス計算を行い, 界面における弾性・非弾性的の熱抵抗への影響を評価したが, 非平衡グリーン関数法などの他の方法論との違いを詳細に検証するためまでには至っておらず, 今後の課題となった。

報告書

(2件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2014 2013 2012

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (16件)

  • [雑誌論文] Influence of mass contrast in alloy phonon scattering2014

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Takuma Hori, and Junichiro Shiomi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 53 号: 2 ページ: 021802-021802

    • DOI

      10.7567/jjap.53.021802

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Origin of anomalous anharmonic lattice dynamics of lead telluride2014

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Olivier Delaire, and Junichiro Shiomi
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 7 号: 4 ページ: 041801-041801

    • DOI

      10.7567/apex.7.041801

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Phonon transport analysis of silicon germanium alloys using molecular dynamics simulations2013

    • 著者名/発表者名
      Takuma Hori, Takuma Shiga, and Junichiro Shiomi
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 113 号: 20

    • DOI

      10.1063/1.4807301

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Importance of local force fields on lattice thermal conductivity reduction in PbTe_<1-x>Se_x alloys2013

    • 著者名/発表者名
      Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, and Junichiro Shiomi
    • 雑誌名

      Europhysics Letters

      巻: 100

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal resistance and phonon scattering at the interface Between carbon nanotube and amorphous polyethylene2013

    • 著者名/発表者名
      Sho Hida, Takuma Hori, Takuma Shiga
    • 雑誌名

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      巻: 67 ページ: 1024-1029

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.08.068

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Microscopic mechanism of low thermal conductivity in lead-telluride2012

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Jie Ma, Olivier Delaire, Tomasz Radzynski, Andrzej Lusakowski, Keivan Esfarjanim, Gang Chen
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 85 号: 15 ページ: 155203-155203

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.155203

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Phonon Conduction in Lead Selenide and Lead Telluride from First Principles Calculations2012

    • 著者名/発表者名
      Zhiting Tian, Jivtesh Garg, Keivan Esfarjani, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Gang Chen
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 85 号: 18 ページ: 184303-184303

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.184303

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic, Magnetic and Thermal Properties of Graphene-Diamond Hybrid Structure2012

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Satoru Konabe, Junichiro Shiomi, Takahiro Yamamoto, Shigeo Maruyama, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Letter

      巻: 100 号: 23 ページ: 233101-233101

    • DOI

      10.1063/1.4725485

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] バルクナノ構造化熱電材料における界面構造のフォノン輸送への影響2013

    • 著者名/発表者名
      村上拓, 堀 琢磨, 志賀 拓麿, 塩見 淳一郎
    • 学会等名
      第5回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      仙台国際センター, 仙台, 宮城
    • 年月日
      2013-11-06
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Heat conduction of Alloyed Thermoelectric Materials and its Structure Dependence2013

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Takuru Murakami, and Junichiro Shiomi
    • 学会等名
      The 4th International Symposium Micro and Nano Technology (ISMNT-4)
    • 発表場所
      Shanghai International Convention Center, Shanghai, China
    • 年月日
      2013-10-11
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Investigations of the lattice thermal conductivity of Mg_2Si from fist principles2013

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, Gang Chen, and Junichiro Shiomi
    • 学会等名
      The 32st international Conference on Thermoelectrics (ICT2013)
    • 発表場所
      Kobe International Conference Center, Kobe, Japan
    • 年月日
      2013-07-03
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 中温領域用の熱電変換材料の第一原理熱伝導解析2013

    • 著者名/発表者名
      志賀 拓麿, Keivan Esfarjani, 村上 拓, 堀 琢磨, Gang Chen, 塩見 淳一郎
    • 学会等名
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      ウェスティンホテル仙台およびトラスシティカンファレンス・仙台, 宮城
    • 年月日
      2013-05-30
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理に基づいた非調和格子動力学法及び分子動力学法による熱電変換材料の熱伝導解析2012

    • 著者名/発表者名
      志賀拓磨, 村上拓, 堀琢磨, Keivan Esfarjani, Gang Chen, 塩見淳一郎
    • 学会等名
      第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      北九州国際会議場・西日本総合展示場, 福岡
    • 年月日
      2012-10-22
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] モンテカルロ法を用いたナノ構造化熱電材料の格子熱伝導解析2012

    • 著者名/発表者名
      堀琢磨, 志賀拓麿, 塩見淳一郎
    • 学会等名
      第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      国際会議場・西日本総合展示場
    • 年月日
      2012-10-22
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] マグネシウムシリサイドの第一原理熱伝導解析2012

    • 著者名/発表者名
      志賀拓麿, Keivan Esfarjani, Gang Chen,塩見淳一郎
    • 学会等名
      第9回日本熱電学会学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学蔵前会館, 東京
    • 年月日
      2012-08-27
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学法によるPbTel-xSexの格子熱伝導解析2012

    • 著者名/発表者名
      村上拓, 志賀拓麿, 堀琢磨, Zhiting Tian, Keivan Esfarjani, Gang Chen, 塩見淳一郎
    • 学会等名
      第9回日本熱電学会学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学蔵前会館, 東京
    • 年月日
      2012-08-27
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Thermal transport in thermoelectrics from first-principles calculations2012

    • 著者名/発表者名
      Keivan Esfarjani, Junichiro Shiorai, Takuma Shiga, Zhiting Tian, Tengfei Luo, Gang Chen
    • 学会等名
      American Chemical Society, Division of Energy Fuels
    • 発表場所
      Philadelphia, USA
    • 年月日
      2012-08-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Molecular dynamics study on lattice thermal conductivity of PbTel-xSex alloys2012

    • 著者名/発表者名
      Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori, Zhiting Tian, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
    • 学会等名
      The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectries (ICT/ECT 2012)
    • 発表場所
      Aalborg, Denmark
    • 年月日
      2012-07-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Microscopic mechanism of low thermal conductivity in lead terullide2012

    • 著者名/発表者名
      Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Jie Ma, Olivier Delaire, Keivan Esfarjani, Gang Chen, Junichiro Shiomi
    • 学会等名
      The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectrics (ICT/ECT 2012)
    • 発表場所
      Aalborg, Denmark
    • 年月日
      2012-07-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Probing phonon transport properties of silicon germanium alloy crystals by molecular dynamics2012

    • 著者名/発表者名
      Takuma Hori, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi
    • 学会等名
      The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectrics (ICT/ECT 2012)
    • 発表場所
      Aalborg, Denmark
    • 年月日
      2012-07-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Low Thermal Conductivity of Lead Selenide and Lead Telluride from First Principles2012

    • 著者名/発表者名
      Zhiting Tian, Jivtesh Garg, Keivan Esfarjani, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Gang Chen
    • 学会等名
      ASME 2012 Summer Heat Transfar Conference (HT2012)
    • 発表場所
      Puerto Rico, USA
    • 年月日
      2012-07-08
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学法による合金化したシリコン結晶のフォノン輸送解析2012

    • 著者名/発表者名
      堀琢磨, 志賀拓麿, 丸山茂夫, 塩見淳一郎
    • 学会等名
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      富山国際会議場, 富山
    • 年月日
      2012-06-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 摂動論的アプローチによる合金結晶のフォノン輸送解析2012

    • 著者名/発表者名
      志賀拓磨, 堀琢磨, 丸山茂夫, 塩見淳一郎
    • 学会等名
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      富山国際会議場, 富山
    • 年月日
      2012-06-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学法による鉛テルルの格子熱伝導解析2012

    • 著者名/発表者名
      村上拓, 志賀拓麿, 堀琢磨, Tian Zhiting, Esfarjani Keivan, Chen Gang, 塩見淳一郎
    • 学会等名
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      富山国際会議場, 富山
    • 年月日
      2012-05-30
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

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公開日: 2013-04-25   更新日: 2024-03-26  

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