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ナノスケールにおけるフォノン輸送の量子力学的解析手法の確立

研究課題

研究課題/領域番号 19F19353
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分外国
審査区分 小区分28020:ナノ構造物理関連
研究機関東京大学

研究代表者

野村 政宏  東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (10466857)

研究分担者 GUO YANGYU  東京大学, 先端科学技術研究センター, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2019-11-08 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
1,600千円 (直接経費: 1,600千円)
2021年度: 400千円 (直接経費: 400千円)
2020年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2019年度: 400千円 (直接経費: 400千円)
キーワードphonon / phonon hydrodynamics / quantum heat transport / phonon NEGF formalism / recursive algorithm / phonon vortex / Anharmonic phonon NEGF / Fourier’s representation / MPI parallelization / heat transport
研究開始時の研究の概要

We plan to establish the non-equilibrium Green function computational framework with anharmonic phonon-phonon scattering taken into account. Heat transport through silicon and germanium thin films as well as Si/Ge interface will be considered in establishing the algorithm. As a first step, we plan to adopt the modified valence force field empirical atomic interaction models for both silicon and germanium. This computational framework will be validated for heat transport through bulk Si and Ge at different temperatures, and heat transport through Si/Ge interface at room temperature.

研究実績の概要

The research achievements under the support of JSPS fellowship mainly include three aspects:
(1) We develop the three-dimensional anharmonic phonon non-equilibrium Green’s function formalism, and a parallelized computational framework for large-scale quantum heat transport simulation. With the new methodology, the open question of how anharmonic phonon-phonon scattering plays the role in heat transport at solid-solid interface is studied with a local spectral energy exchange decomposition scheme. Also we present a novel path to demonstrate phonon localization in graded superlattices and a thermal conductivity minimum phenomenon in the quantum coherent regime.
(2) We develop a mesoscopic simulation framework based on the phonon Boltzmann equation under Callaway’s dual relaxation model with fully ab initio input of phonon properties for both isotropic and anisotropic material systems. With the new method, we investigate the size effect of phonon hydrodynamics in graphitic nano- and micro-structures, and promote the experimental observation of phonon Poiseuille flow in micro-meter-scale isotopically purified graphite ribbon.
(3) We develop a coupled model for heat transport along polar dielectric nanostructures via phonons and surface phonon polaritons. A universal quantum of two-dimensional heat transport in ultrathin polar films is derived for surface phonon polaritons. The non-linear temperature profile due to the coupled dynamics is also demonstrated.

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 9件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Quantum of thermal conductance of nanofilms due to surface-phonon polaritons2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, S. Tachikawa, S. Volz, M. Nomura, and J. Ordonez-Miranda
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 号: 20

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.l201407

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermal-Wave Diode2021

    • 著者名/発表者名
      J. Ordonez-Miranda, Y. Guo, J. J. Alvarado-Gil, S. Volz, and M. Nomura
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Appl.

      巻: 16 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.16.l041002

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermal conductivity minimum of graded superlattices due to phonon localization2021

    • 著者名/発表者名
      Guo Yangyu、Bescond Marc、Zhang Zhongwei、Xiong Shiyun、Hirakawa Kazuhiko、Nomura Masahiro、Volz Sebastian
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 9 号: 9 ページ: 091104-091104

    • DOI

      10.1063/5.0054921

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Size effect on phonon hydrodynamics in graphite microstructures and nanostructures2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, Z. Zhang, M. Bescond, S. Xiong, M. Wang, M. Nomura, and S. Volz
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 号: 7 ページ: 075450-075450

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.075450

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Heat Transport Driven by the Coupling of Polaritons and Phonons in a Polar Nanowire2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, M. Nomura, S. Volz, and J. Ordonez-Miranda
    • 雑誌名

      Energies

      巻: 14 号: 16 ページ: 5110-5110

    • DOI

      10.3390/en14165110

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermal self-synchronization of nano-objects2021

    • 著者名/発表者名
      Z. Zhang, Y. Guo, M. Bescond, J. Chen, M. Nomura, and S. Volz
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 130 号: 8 ページ: 084301-084301

    • DOI

      10.1063/5.0058252

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Anharmonic phonon-phonon scattering at the interface between two solids by nonequilibrium Green's function formalism2021

    • 著者名/発表者名
      Guo Yangyu、Zhang Zhongwei、Bescond Marc、Xiong Shiyun、Nomura Masahiro、Volz Sebastian
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 号: 17 ページ: 174306-174306

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.174306

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Phonon vortex dynamics in graphene ribbon by solving Boltzmann transport equation with ab initio scattering rates2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, Z. Zhang, M. Nomura, S. Volz, and M. Wang
    • 雑誌名

      Int. J. Heat Mass Transf.

      巻: 169 ページ: 120981-120981

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.120981

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Quantum mechanical modeling of anharmonic phonon-phonon scattering in nanostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Guo Yangyu、Bescond Marc、Zhang Zhongwei、Luisier Mathieu、Nomura Masahiro、Volz Sebastian
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 号: 19 ページ: 195412-195412

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.195412

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Thermal boundary conductance of Si/Ge interface by anharmonic phonon non-equilibrium Green function formalism2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, Z. Zhang, M. Bescond, M. Nomura, and S. Volz
    • 学会等名
      CLEO/Europe-EQEC 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Heat Transport at Si/Ge Interface by Anharmonic Phonon Non-Equilibrium Green Function Formalism2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, Z. Zhang, M. Bescond, S. Xiong, M. Nomura, S. Volz
    • 学会等名
      2021 Virtual MRS Spring Meeting & Exhibit
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Anharmonic phonon-phonon scattering at solid/solid interface2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, Z. Zhang, M. Bescond, S. Xiong, M. Nomura and S. Volz
    • 学会等名
      第5回フォノンエンジニアリング研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Thermal boundary conductance of Si/Ge interface by anharmonic phonon non-equilibrium Green function formalism2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, Z. Zhang, M. Bescond, M. Nomura, S. Volz
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Quantum mechanical modeling of anharmonic phonon-phonon scattering in nanostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Guo, M. Bescond, Z. Zhang, M. Luisier, M. Nomura, S.Volz
    • 学会等名
      第四回フォノンエンジニアリング研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2019-11-29   更新日: 2024-03-26  

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