カーボンナノチューブの熱電特性マルチスケール解析

• 研究課題/領域番号: 20K14661
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分19020:熱工学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 大西 正人 東京大学, 大学院工学系研究科, 特任講師 (30782560)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ / 熱電変換 / フォノン / 分子動力学 / 原子グリーン関数 / カーボンナンチューブ / Van der Waals力 / 熱伝導率 / カーボンナノピーポッド / ゾーンフォールディング

研究開始時の研究の概要

熱電変換素子は構造が簡単でメンテナンスが必要ないためIoTセンサーの電力源として期待されている．特にカーボンナノチューブ（CNT）は人体や配管等の曲率や可動部を有する対象への適用が期待される．本研究では，ひずみを用いたCNT熱伝導特性抑制，CNT接触部の熱・電子輸送特性の解析，CNTネットワークのマルチスケール熱電特性解析技術の開発を通し，CNT熱電デバイスの最適構造を提案する．

研究成果の概要

カーボンナノチューブ（CNT）はネットワーク構造として利用することで熱伝導率が低下し，高柔軟性の熱電材料として利用することができる．本研究ではCNTにフラーレンを内包させると周期約1nmの半径方向ひずみが発生し，CNTを構成する炭素原子が新しい周期に従って振動することが明らかになった．これはゾーンフォールディング効果と呼ばれ，原子振動の波動性を制御することにより熱伝導率を抑制する効果がある．この効果は熱電変換効率の向上だけでなく，光の干渉効果と同じような現象を原子振動でも観測できる可能性を示しており，フラーレン内包CNTを用いた新しい物理現象の観測も期待される．

研究成果の学術的意義や社会的意義

IoT技術を支えるためには無数のセンサが必要になる．CNTのような高い柔軟性を持つ熱電変換材料は，人体や曲率を有する構造物への適用が期待される．本研究成果はCNTネットワークの熱電変換特性向上の設計指針を示しただけでなく，原子振動の波動性を制御するための新しい手法を示したものであり，工業的・科学的の両面で興味深い成果である．

研究成果

• [国際共同研究] Institute of High Performance Computing(シンガポール)
• [雑誌論文] Anharmonic phonon renormalization and thermal transport in the type-I Ba8Ga16Sn30 clathrate from first principles (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Ohnishi, T. Tadano, S. Tsuneyuki, and J. Shiomi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 106 号: 2 ページ: 24303-24303
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.024303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced band modulation of thermal phonons in carbon nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Masato Ohnishi, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 1 ページ: 014306-014306
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.014306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Transport Descriptors for the Rapid Screening of Thermoelectric Materials (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Deng, J. Recatala-Gomez, M. Ohnishi, D.V. Maheshwar Repaka, P. Kumar, A. Suwardi, A. Abutaha, I. Nandhakumar, K. Biswas, M. B. Sullivan, G. Wu, J. Shiomi, S-W. Yang, and K. Hippalgaonkar
  • 雑誌名: Materials Horizons 巻: 8 号: 9 ページ: 2463-2474
  • DOI: 10.1039/d1mh00751c
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Strain Engineering for Electronics and Thermal Management in Carbon Nanomaterials (2022)
  • 著者名/発表者名: Masato Ohnishi
  • 学会等名: Youth Conference on Impurities and Defects in Semiconductors (YCIDS 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] クラスレート化合物の切り紙構造熱電デバイスへの応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大西正人，寺嶋真伍，山本貴博，藤村幸司，清水裕，山本潔，岩瀬英治，塩見淳一郎
  • 学会等名: 第19回日本熱電学会学術講演会
• [学会発表] シリコン基クラスレート化合物の熱電解析と性能向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大西正人，山本貴博，藤村幸司，清水裕，山本潔，塩見淳一郎
  • 学会等名: 第59回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] Improvement of Thermoelectric Efficiency of Si-based Clathrate (2021)
  • 著者名/発表者名: Masato Ohnishi, Koji Fujimura, Takahiro Yamamoto, Hiroshi Shimizu, Kiyoshi Yamamoto, and Junichiro Shiomi
  • 学会等名: 2021 Virtual MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [図書] 計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発動向 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森孝雄，塩見淳一郎，他
  • 総ページ数: 214
  • 出版者: シーエムシー・リサーチ
• [備考] Masato Ohnishi's website
  • URL: http://www.phonon.t.u-tokyo.ac.jp/people/~ohnishi/index.html