| 研究課題/領域番号 |
20K05681
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分36020:エネルギー関連化学
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| 研究機関 | 島根大学 |
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研究代表者 |
平山 尚美 島根大学, 学術研究院理工学系, 准教授 (70581750)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 熱電材料 / 第一原理計算 / 機械学習ポテンシャル / 不純物添加 / 格子欠陥 / ハイブリッド法 / ボルツマン方程式 / マグネシウムシリサイド / ストロンチウムシリサイド / 熱電物質 / 不純物ドープ / 等電子不純物 / 化学圧力 / 有効質量 / ゼーベック係数 / 熱電効果 / 界面 / 機械学習 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高効率かつ環境低負荷な新規熱電材料の創成を目指し，理論・数値計算・実験を連動させた材料設計に向けた基盤技術を構築する．従来理論と実験の乖離の原因とされる，結晶粒界や電極界面の効果に着目し，不純物ドープMg2Siの微細構造が熱電物性に及ぼす影響を解明する．粒界や欠陥はどの無機材料にも存在し得るものであり，系の物性を支配する要因の一つである．本研究により，これらの効果を理論的に扱うことが可能になれば，熱電材料開発のための強力なツールになると期待される．
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| 研究成果の概要 |
結晶の不純物や格子欠陥に着目した研究では、Mg2SiのMgサイトへの等電子不純物（Ca）ドープにより、熱電性能向上に有利な電子状態が得られることが分かった。また、SrSi2の計算では狭バンドギャップを再現し、伝導性に対する格子欠陥の影響を明らかにした。
さらに、KKR-CPA法に基づく有限温度における計算を実行し、Sbドープ系の電気伝導率に対するフォノンの効果を明らかにしたほか、実験で得られたAgドープ系の挙動を再現した。
そして、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学計算では、第一原理計算による安定構造を再現した。しかし、多結晶体の再現には計算コストの課題が残る。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
近年，エネルギー資源の枯渇と環境汚染の問題が加速するなか，熱電変換技術の本格的な普及が望まれている．しかし，既存の主要な熱電材料はBiやTe, Pb等の重金属を含むものが多く，毒性や資源希少性の問題があった．近年厳しさを増す環境規制と資源問題に対応し，かつ高出力な新規熱電材料の開発が喫緊の課題である．
本研究で作成した高精度な機械学習ポテンシャルや，熱電半導体Mg2Siの有限温度における物性値をよく再現することが示されたKKR-CPA法に基づく計算手法は，材料の微視的構造や熱電輸送特性を調査する上で強力なツールになると期待される．
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