局在フォノンエネルギー準位と熱輸送特性の相関理解に基づく熱伝導制御デバイスの創出

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02459
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 岡本 範彦 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60505692)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 熱伝導率 / フォノン

研究実績の概要

微小スケールで熱エネルギー輸送を制御するためには， 機械的駆動部を持たず簡便な方法で熱流を可逆的にオン/オフすることが可能な熱スイッチング機構が不可欠である．本研究では，ゲスト原子の局在フォノンエネルギー準位およびエネルギー分布と格子熱伝導率の相関を明らかにし，ゲスト原子を外場で操作することにより熱伝導率を飛躍的に変化させられる熱スイッチング材料の設計指針を得ることを目指す．一次元トンネル状骨格構造を有するイータ型鉄-アルミニウム系包接化合物は，ゲストアルミニウム原子の固体内拡散パスが存在し，ゲスト原子の脱挿入が容易であると考えられるためモデル材料として選定した．第一原理計算により得たフォノン分散関係を用いてKlemens-Callaway近似により見積もった格子熱伝導率の結晶方位依存性が，実験値と乖離することがわかり，トンネル構造内のゲスト原子振動の局在化に伴うバンドフラットニングによる群速度の低下だけではなく，ゲスト原子ポテンシャルの非調和性が大きく寄与していることを明らかにした．さらに，３次非調和項に相当するモードグリュナイゼンパラメータ，およびゲスト原子のトンネル軸方向およびその垂直方向の原子ポテンシャル曲線を第一原理計算により求めた結果，モードグリュナイゼンパラメータの結晶方位依存性はほぼ無いものの，原子ポテンシャルの４次項がトンネル軸方向に沿って相対的に大きいことが明らかとなった．これらのことから，鉄-アルミニウム系包接化合物の低い格子熱伝導率の主要因は，ゲスト原子の大きな４次非調和項であることが示唆された．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

異方性包摂化合物の格子熱伝導率の支配因子を明らかにすることができた．

今後の研究の推進方策

ゲスト原子の脱離量と熱伝導率変化量の相関を調査する・またゲスト原子脱離挿入に伴う熱伝導率増減の可逆性・サイクル性の評価を行う．

研究成果

• [雑誌論文] Metalloid substitution elevates simultaneously the strength and ductility of face-centered-cubic high-entropy alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Wei Daixiu、Wang Liqiang、Zhang Yongjie、Gong Wu、Tsuru Tomohito、Lobzenko Ivan、Jiang Jing、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Bae Jae Wung、Lu Wenjun、Lu Zhen、Hayasaka Yuichiro、Kiguchi Takanori、Okamoto Norihiko L.、Ichitsubo Tetsu、Kim Hyoung Seop、Furuhara Tadashi、Ma Evan、Kato Hidemi
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 225 ページ: 117571～117571
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117571
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Room-temperature deformation of single crystals of ZrB2 and TiB2 with the hexagonal AlB2 structure investigated by micropillar compression (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen Zhenghao、Paul Bhaskar、Majumdar Sanjib、Okamoto Norihiko L.、Kishida Kyosuke、Inui Haruyuki、Otani Shigeki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 14265～14265
  • DOI: 10.1038/s41598-021-93693-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Plastic deformation of single crystals of CrB2, TiB2 and ZrB2 with the hexagonal AlB2 structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Paul Bhaskar、Okamoto Norihiko L.、Kusakari Misato、Chen Zhenghao、Kishida Kyosuke、Inui Haruyuki、Otani Shigeki
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 211 ページ: 116857～116857
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116857
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the possibility of simultaneously achieving sufficient oxidation resistance and creep property at high temperatures exceeding 1000°C in Co-based superalloys (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen Zhenghao、Okamoto Norihiko L.、Chikugo Kazuyoshi、Inui Haruyuki
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 858 ページ: 157724～157724
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157724
  • 査読あり
• [学会発表] Novel Approach for Strengthening Beta-Ti Alloys Utilizing Diffusionless Isothermal Omega Transformation (2022)
  • 著者名/発表者名: Norihiko L. Okamoto and Tetsu Ichitsubo
  • 学会等名: SMS2022&GIMRT User Meeting 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高力ボルト摩擦接合した溶融亜鉛めっき鋼のめっき被膜変形機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林駿斗, 岡本範彦, 市坪哲
  • 学会等名: 第183回日本鉄鋼協会春季講演大会
• [学会発表] ベータ型チタン合金における新規オメガ変態機構と機械特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡本範彦
  • 学会等名: 第140回東北大学金属材料研究所講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Fe-Zn系金属間化合物の結晶構造と力学特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡本範彦
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会フォーラム「先進的溶融めっき皮膜構造と物性の基礎解析」第5回勉強会
  • 招待講演
• [備考] 研究代表者個人ホームページ
  • URL: https://nlokamoto.wordpress.com
• [備考] 研究代表者所属研究室ホームページ
  • URL: http://ilab.imr.tohoku.ac.jp