モンテカルロシミュレーションによるナノ構造内のフォノン輸送解析

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12J09161
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 堀 琢磨 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: フォノン熱伝導 / 熱電変換材料 / ナノ構造 / ボルツマン輸送

研究実績の概要

本年度ではナノ多結晶構造におけるフォノンの実効的な平均自由行程を数値計算により求め，またそれにより熱伝導率への影響を考察した．ナノ構造におけるフォノンの実効的な平均自由行程を得るためには，ボルツマン輸送方程式とランダウアーの透過式から，ナノ構造へのフォノンの透過確率を求める必要がある．そこでレイトレーシング法を用いたフォノンの構造への透過シミュレーションを用い，平均自由行程の計算を行った．この方法の妥当性は理論解が明らかのあるナノワイヤにおいて確認をした．また，単純立方構造をした多結晶体，およびボロノイ図を用いたより複雑な形状をした多結晶体でシミュレーションを行った．これにより，粒径分布の広がりに伴って多結晶体中のフォノンの実効的な平均自由行程は長くなっていくことを定量的に示した．また，それらの平均自由行程の差が熱伝導率にどの程度反映されるか室温のシリコンを例に計算を行った．その結果，顕著な差は現れず，このことから熱伝導率の見積もりの際に単純立方構造による近似が有効であるという示唆を得た．

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Anomalous reduction of thermal conductivity in coherent nanocrystal architecture for silicon thermoelectric materia (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Nakamura, Masayuki Isogawa, Tomohiro Ueda, Shuto Yamasaka, Hideki Matsui, Jun Kikkawa, Satoaki Ikeuchi, Takafumi Oyake, Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Akira Sakai
  • 雑誌名: Nano Energy 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.11.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] フォノン輸送の視点からのナノ焼結体の熱伝導解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 堀 琢磨，塩見 淳一郎
  • 雑誌名: 粉体および粉末冶金 巻: 未定 ページ: 未定
  • 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] 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: 未定 ページ: 未定
  • 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 ページ: 121801
  • DOI: 10.7567/APEX.7.121801
  • 査読あり
• [学会発表] Thermal conductivity reduction mechanism in Si 1D phononic crystals at room temperature (2015)
  • 著者名/発表者名: Jeremie Maire, Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Masahiro Nomura
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川
  • 年月日: 2015-03-12 – 2015-03-12
• [学会発表] 多結晶体構造におけるフォノンの平均自由行程のシミュレーション (2014)
  • 著者名/発表者名: 堀 琢磨, 塩見 淳一郎, Chris Dames
  • 学会等名: 第6回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • 発表場所: くにびきメッセ, 島根
  • 年月日: 2014-10-22 – 2014-10-22
• [学会発表] Thermal Conductivity Calculation of Magnesium Silicide Alloys by lattice Dynamics and Molecular Dynamics (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Keivan Esfarjani, Junichiro Shiomi
  • 学会等名: The 15th International Heat Transfer Conference
  • 発表場所: 国立京都国際会館，京都
  • 年月日: 2014-08-11 – 2014-08-11
• [学会発表] Phonon transport calculations of crystals with strong anharmonicity, disorders, interfaces, and nanostrctures (2014)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi. Takuru Murakami, Takuma Hori, Takuma Shiga
  • 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 – 2014-07-14
• [学会発表] Effective mean free path prediction in nanostructures by using numerical transmission model (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames
  • 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 – 2014-07-14
• [学会発表] 焼結シリコン界面の熱コンダクタンス (2014)
  • 著者名/発表者名: 坂田 昌則, 小宅 教文，Jeremie Maire，堀 琢磨，野村 政宏，塩見 淳一郎
  • 学会等名: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: アクトシティ浜松・コングレスセンター, 静岡
  • 年月日: 2014-05-23 – 2014-05-23
• [学会発表] ナノ構造や界面のフォノン輸送物性にもとづく熱伝導制御ストラテジ (2014)
  • 著者名/発表者名: 塩見 淳一郎, 志賀 拓麿, 堀 琢磨, 小宅 教文, 村上 拓, 坂田 昌則, 三浦 飛鳥
  • 学会等名: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: アクトシティ浜松・コングレスセンター, 静岡
  • 年月日: 2014-05-22 – 2014-05-22
• [学会発表] 準弾道フォノン輸送の界面熱抵抗 (2014)
  • 著者名/発表者名: 堀 琢磨, 塩見 淳一郎
  • 学会等名: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: アクトシティ浜松・コングレスセンター, 静岡
  • 年月日: 2014-05-21 – 2014-05-21
• [備考] 研究者の研究成果に関するwebページ
  • URL: http://www.thml.t.u-tokyo.ac.jp/thori.html