研究課題
基盤研究(C)
多元系硫化物やカルコゲナイドなどの共有結合半導体熱電変換材料を対象に、様々な長さスケールの粒界・界面での界面フォノン散乱メカニズムを明らかにする。これに基づき、ゼーベック係数や電子伝導への悪影響を最小限にしながら、多階層の界面構造でのフォノン散乱によるフォノン熱伝導の抑制のメカニズムを明らかにする。同時に界面エネルギーなどのエネルギー因子の観点から多階層の高次構造の制御指針を明らかにする。これらを合わせて、電子特性を損なわずに、多階層の高次構造制御によるフォノン熱伝導を選択的に抑制するための学理の深化を図り、界面構造制御の観点から熱電特性最適化の指導原理の確立を目指す。
実材料中には様々な長さスケールの構造欠陥が存在し多彩な材料特性の発現へと繋がることが期待され階層的構造制御に注目が集まっているが、各スケールにおける材料特性への寄与は必ずしも明らかではない。本研究では従来の熱伝導理論に囚われることなく計算科学的手法、特に第一原理計算や分子動力学法や格子動力学法を併用し、構造欠陥による熱伝導度変化の定量評価を試み、局所熱伝導度の評価を通じて、様々長さスケールの構造欠陥が熱伝導特性に与える影響を解明した。
従来は材料中の様々の熱伝導度への影響は、構造欠陥の長さスケールと平均自由行程の相対的関係にて理解されてきた。これにより例えば結晶粒の微細化、特にナノスケール結晶粒の導入による熱伝導度の低下が説明されてきた。また、異なる構造欠陥種の影響は加算則による説明が試みられてきた。本研究では計算科学的手法を駆使し計算機実験を行う事で、長さスケールの個別の構造欠陥種の熱伝導度を明らかにするとともに加算則に囚われない影響の解明を行った。これは学術的には従来理論を越えた新たな知見の獲得で今後の研究を加速させる意義があると共に、ますますダウンサイジング化が進むデバイスの放熱・遮熱への道を拓いた意義がある。
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