微視的なフォノン輸送特性を利用したナノ構造の熱伝導制御

• 研究課題/領域番号: 26709009
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 塩見 淳一郎 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40451786)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 24,570千円 (直接経費: 18,900千円、間接経費: 5,670千円); 2015年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2014年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
• キーワード: 熱伝導 / フォノン輸送 / ナノ構造 / 界面 / マルチスケール

研究成果の概要

固体を媒体とした熱エネルギーの輸送，蓄熱，変換を行う上で重要な熱機能である固体材料の格子（フォノン）熱伝導の制御性を向上させるために，理論・数値解析，材料合成，物性評価を三位一体としたフォノンエンジニアリング技術を開発した．まず，フォノンモードに依存した熱伝導の評価および，界面原子構造とフォノン輸送の相間に基づいた熱伝導の制御を行い，それによって得られた技術や知見を用いて，高性能のナノ構造化シリコン熱電変換材料を開発した．また，ナノカーボンを用いた複合材の構造を制御することによって，熱伝導特性と機械的特性を両立した．さらに，フォノンの波動性を利用した熱伝導制御を念頭に数値解析技術を開発した．

研究成果

• [国際共同研究] カリフォルニア大学バークレー校(米国)
• [雑誌論文] Heat conduction in nanostructured materials (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Volz, J. Shiomi, M. Nomura, and K. Miyazaki
  • 雑誌名: Journal of Thermal Science and Technology 巻: 11 号: 1 ページ: JTST0001-JTST0001
  • DOI: 10.1299/jtst.2016jtst0001
  • NAID: 130005121057
  • ISSN: 1880-5566
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Onsite synthesis of thermally percolated nanocomposite for thermal interface material (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanao Obori, Satoshi Nita, Asuka Miura, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 119 号: 5 ページ: 055103-055103
  • DOI: 10.1063/1.4941275
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Filler-depletion layer adjacent to interface impacts performance of thermal interface material (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Yada, T. Oyake, M. Sakata, and J. Shiomi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 6 号: 1 ページ: 015117-015117
  • DOI: 10.1063/1.4941354
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effective phonon mean free path in polycrystalline nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 17 ページ: 171901-171901
  • DOI: 10.1063/1.4918703
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Crystalline-amorphous hybrid nanostructures for bulk silicon thermoelectric materials with very low thermal conductivity (2015)
  • 著者名/発表者名: Asuka Miura, Zhou Shu, Tomohiro Nozaki, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 7 号: 24 ページ: 13484-13489
  • DOI: 10.1021/acsami.5b02537
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phonon transport in perovskite SrTiO3 from first principles (2015)
  • 著者名/発表者名: Lei Feng, Takuma Shiga, and Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 号: 7 ページ: 071501-071501
  • DOI: 10.7567/apex.8.071501
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nanoscale thermal conductivity spectroscopy by using gold nano-islands heat absorbers (2015)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Oyake, Masanori Sakata, Junichiro Shiomi,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 7 ページ: 073102-1
  • DOI: 10.1063/1.4913311
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal conductance of silicon interfaces directly bonded by room-temperature surface activation (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Sakata, T. Oyake, J. Maire, M. Nomura, E. Higurashi, and J. Shiomi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 106 号: 8 ページ: 081603-081603
  • DOI: 10.1063/1.4913675
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 高熱電変換性能ハーフホイスラー化合物の合金組成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本佳亮，志賀拓麿，塩見淳一郎
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 81 号: 824 ページ: 14-00652-14-00652
  • DOI: 10.1299/transjsme.14-00652
  • NAID: 130005066590
  • ISSN: 2187-9761
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Tuning thermal conductance across sintered silicon interface by local nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakata, Takuma Hori, Takafumi Oyake, Jeremie Maire, Masahiro Nomura, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Nano Energy 巻: 13 ページ: 601-608
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2015.03.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scaling laws of cumulative thermal conductivity for short and long phonon mean free paths (2014)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Aketo, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 105 号: 13 ページ: 131901-131901
  • DOI: 10.1063/1.4896844
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Probing and tuning inelastic phonon conduction across finite-length interface (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuru Murakami, Takuma Hori, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 7 号: 12 ページ: 121801-121801
  • DOI: 10.7567/apex.7.121801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonequilibrium molecular dynamics methods for heat conduction calculations (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Shiomi
  • 雑誌名: Annual Review of Heat Transfer 巻: 17 号: N/A ページ: 177-203
  • DOI: 10.1615/annualrevheattransfer.2014007407
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] フォノン輸送の科学と応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 学会等名: 第２回理論応用力学シンポジウム
  • 発表場所: 日本学術会議講堂，東京
  • 年月日: 2016-03-08
  • 招待講演
• [学会発表] ナノスケールにおける熱伝導 (2015)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場，茨城
  • 年月日: 2015-12-01
  • 招待講演
• [学会発表] ナノ・界面構造を用いたフォノンエンジニアリング (2015)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 学会等名: 応用物理学会・応用電子物性分科会研究例会
  • 発表場所: 金沢工業大学大学院虎ノ門キャンパス，東京
  • 年月日: 2015-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] 表面・界面を利用したナノスケール熱工学 (2015)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 学会等名: 日本表面科学会関東支部 第2回関東支部セミナー
  • 発表場所: 東京理科大学，東京
  • 年月日: 2015-11-13
  • 招待講演
• [学会発表] ナノスケールにおける熱エネルギーの輸送と変換 (2015)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 学会等名: 化学工学会第47回秋季大会
  • 発表場所: 北海道大学，北海道
  • 年月日: 2015-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring controllability of thermal conductivity for high performance bulk silicon thermoelectric (2015)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: ICHMT International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer
  • 発表場所: Piscataway, USA
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノ構造や界面によるフォノン輸送制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 発表場所: 東海大学、東京
  • 年月日: 2015-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of phonon-blocking at sintered interfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: American Physical Society, March Meeting 2015
  • 発表場所: San Antonio, USA
  • 年月日: 2015-03-02
  • 招待講演
• [学会発表] Nanoscale thermal transport in thermoelectrics (2014)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: 15th International Heat Transfer Conference
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2014-08-12
  • 招待講演
• [学会発表] Phonon transport analysis of crystals with strong anharmonicity, disorders, interfaces, and nanostructure (2014)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: 8th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena –Science and Engineering -
  • 発表場所: Santa Cruz, USA
  • 年月日: 2014-07-14
  • 招待講演
• [学会発表] Anharmonic phonon dynamics in bulk crystals and their interfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: 2nd International Conference on Phononics and Thermal Energy Science
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2014-05-28
  • 招待講演
• [備考] Thermal Energy Engineering Lab
  • URL: http://www.phonon.t.u-tokyo.ac.jp
• [備考] Thermal Energy Engineering Lab