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ナノスケール界面におけるフォノン熱輸送の理論解析

公募研究

研究領域機能コアの材料科学
研究課題/領域番号 20H05195
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関大阪大学 (2021)
一般財団法人ファインセラミックスセンター (2020)

研究代表者

藤井 進  大阪大学, 工学研究科, 助教 (90826033)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワード界面 / 熱伝導 / 計算科学 / フォノン
研究開始時の研究の概要

近年のナノ構造化技術の発展に伴い、電子デバイスや熱電変換等の熱機能性材料中にはナノスケールでの界面が存在する。この界面は材料の熱伝導を著しく低下させることが知られ、その機構解明の重要性は急速に高まっている。本研究では、モデル材料としてSiに着目し、Si中に存在する界面が熱伝導に与える影響を原子レベルで解明する。材料中の熱は原子の集団振動(フォノン)によって伝わるため、その現象を計算科学で模擬・解析し、界面構造に基づく熱伝導制御指針の獲得に繋げる。

研究実績の概要

材料中の界面は結晶とは異なる原子構造を持ち、しばしば材料の巨視的特性を決定づける。特に、その特異な構造が熱を輸送する原子振動(フォノン)の伝搬を阻害し、熱伝導性を著しく低下させることが知られている。近年、電子デバイスの小型化やナノ構造化技術の発展に伴い、原子スケールでの界面熱伝導機構を理解する重要性が高まっている。しかし、界面原子構造がフォノン散乱挙動に与える影響やその空間的範囲を解明した研究例は乏しく、界面構造を積極的に活用した熱伝導制御指針は確立されていない。本研究では、原子レベルの熱伝導性を評価可能な摂動分子動力学法と、フォノンの界面透過率を定量化できるPhonon wave packet法を用いて、現象論とフォノン理論の両面から界面熱伝導機構の解明に取り組んだ。
最終年度である2年目は、主にSi粒界、Si/SiO2界面の熱伝導解析を系統的に実施した。Si粒界については、新規に導入した多コア並列計算機やスーパーコンピュータを用いて、20種程度の粒界の熱伝導度を計算した。その結果、粒界近傍の原子数密度等の構造の乱れが熱伝導を支配することが明らかとなった。
また、結晶Siと結晶SiO2、結晶SiとアモルファスSiO2の異相界面を対象に、各層の厚みを変化させながら系統的な熱伝導度・フォノン透過率評価を行った。その結果、熱を主に輸送する音響フォノンの透過率がSiO2の構造乱れによって顕著に低下すること、そして界面でのフォノン散乱・反射により結晶Siの熱伝導挙動にも大きな空間依存性が生じることが明らかになった。
加えて、共有結合性Siとの比較のため、典型的イオン結合材料であるMgOにも本手法を適用したところ、ナノ多結晶体では粒界平行方向の熱伝導性も大きく低下することも明らかになった。
総じて、ナノスケール界面のフォノン散乱挙動に関して多くの微視的知見が得られた。

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

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 6件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] CRISMAT(フランス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Structure and lattice thermal conductivity of grain boundaries in silicon by using machine learning potential and molecular dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Susumu Fujii, Atsuto Seko
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 204 ページ: 111137-111137

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2021.111137

    • 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
  • [雑誌論文] Grain-size dependence and anisotropy of nanoscale thermal transport in MgO2021

    • 著者名/発表者名
      Susumu Fujii, Kohei Funai, Tatsuya Yokoi, Masato Yoshiya
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 119 号: 23 ページ: 231604-231604

    • DOI

      10.1063/5.0075854

    • 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
  • [雑誌論文] Direct numerical analyses of nanoscale thermal transport near MgO edge dislocations2021

    • 著者名/発表者名
      Wataru Sekimoto, Susumu Fujii, Masato Yoshiya
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 202 ページ: 113991-113991

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.113991

    • 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
  • [雑誌論文] ナノスケールでの粒界熱伝導度の予測モデル構築と物理的解釈2021

    • 著者名/発表者名
      藤井進
    • 雑誌名

      材料の科学と工学

      巻: 58 ページ: 216-219

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 粒界熱伝導度の系統的計算と予測モデルの確立2020

    • 著者名/発表者名
      藤井 進
    • 雑誌名

      セラミックス

      巻: 55 ページ: 652-655

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] 機械学習による結晶粒界の熱伝導度の高精度予測2020

    • 著者名/発表者名
      藤井 進
    • 雑誌名

      機能材料

      巻: 40 ページ: 14-22

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] セラミックス材料における粒界構造ー熱伝導度相関解明の取り組み2021

    • 著者名/発表者名
      藤井進、横井達矢、世古敦人、吉矢真人
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nanoscale thermal transport at ceramic interfaces: a computational and machine learning approach2021

    • 著者名/発表者名
      Susumu Fujii, Tatsuya Yokoi, Atsuto Seko, Masato Yoshiya
    • 学会等名
      1st Japan-France Virtual Workshop on Thermoelectrics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 計算科学と情報科学による粒界原子構造ー熱伝導相関の解明2021

    • 著者名/発表者名
      藤井進、横井達矢、吉矢真人
    • 学会等名
      第15回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Accurately predicting thermal conductivities across ceramic grain boundaries using a machine learning approach2021

    • 著者名/発表者名
      Susumu Fujii, Tatsuya Yokoi, Craig A. J. Fisher, Masato Yoshiya
    • 学会等名
      8th International Congress on Ceramics (ICC8)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Correlation between grain boundary structure and thermal conductivity: a computational and machine learning approach2021

    • 著者名/発表者名
      Susumu Fujii, Tatsuya Yokoi, Atsuto Seko, Masato Yoshiya
    • 学会等名
      14th Pacfic Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM14) and GOMD 2021 Division Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Si/SiO2界面近傍の局所原子配列がフォノン特性へ及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      浦田空、藤井進、吉矢真人
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] PbTe/GeS異相界面における界面構造とフォノン伝導解析2021

    • 著者名/発表者名
      日野雄太、藤井進、吉矢真人、石部貴史、中村芳明
    • 学会等名
      第18回日本熱電学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理格子動力学法によるカルコゲナイド異相界面での熱伝導解析2021

    • 著者名/発表者名
      日野雄太、藤井進、吉矢真人、石部貴史、中村芳明
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Phonon thermal transport across heterogeneous interfaces by ab initio lattice dynamics calculation2021

    • 著者名/発表者名
      Yuta HINO, Susumu FUJII, Masato YOSHIYA, Takafumi ISHIBE, Yoshiaki NAKAMURA
    • 学会等名
      1st Japan-France Virtual Workshop on Thermoelectrics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 原子レベル計算によるMgO中の転位芯構造が格子熱伝導に与える影響2021

    • 著者名/発表者名
      関本渉、藤井進、吉矢真人
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Impact of dislocation-core structures on phonon thermal conduction in MgO by perturbed molecular dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Wataru SEKIMOTO, Susumu FUJII, Masato YOSHIYA
    • 学会等名
      1st Japan-France Virtual Workshop on Thermoelectrics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 摂動分子動力学法による転位近傍のフォノン伝導メカニズム2021

    • 著者名/発表者名
      関本渉、藤井進、吉矢真人
    • 学会等名
      第31回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] SrTiO3中刃状転位近傍の結合歪みによる格子熱伝導度抑制機構の解明2021

    • 著者名/発表者名
      原知史、関本渉、藤井進、吉矢真人
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ウルツ鉱型GaN転位における微視的構造変化が格子熱伝導へ及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      堀川貴矢、関本渉、藤井進、吉矢真人
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Cu-Zn-Sn-S系におけるカチオン配列の不規則性が電子伝導に及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      吉澤圭太、藤井進、吉矢真人
    • 学会等名
      第18回日本熱電学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Comparisons of electronic conduction between ordered and disordered phases in quasi-ternary Cu-Zn-Sn-S sulfides2021

    • 著者名/発表者名
      Keita YOSHIZAWA, Susumu FUJII, Masato YOSHIYA
    • 学会等名
      1st Japan-France Virtual Workshop on Thermoelectrics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 低熱伝導性をもたらす粒界局所構造の解明 系統的計算と機械学習2020

    • 著者名/発表者名
      藤井進、横井達矢、Craig A. J. Fisher、森分博紀、吉矢真人
    • 学会等名
      日本金属学会第167回講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 酸化物ナノ界面近傍における局所的フォノン熱伝導解析2020

    • 著者名/発表者名
      藤井進、横井達矢、吉矢真人
    • 学会等名
      第17回日本熱電学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [図書] 計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発動向(担当:第VIII編マテリアルズ・インフォマティクス 第1章 結晶粒界における格子熱伝導機構と情報科学的手法による予測・理解)2022

    • 著者名/発表者名
      藤井進
    • 総ページ数
      18
    • 出版者
      シーエムシー・リサーチ
    • ISBN
      9784910581187
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 吉矢研究室ホームページ

    • URL

      http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp8/index_j.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 研究代表者個人ページ

    • URL

      http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp8/members/fujii/

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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