研究課題
シリコンは安価であることや加工性の高さから熱電変換材料として期待されているが，一方でその変換効率は低いためその利用は限られている．これはシリコンの熱伝導率の高さに起因するため，変換効率の向上のためには，ナノ構造化により熱伝導率を低下させる手法がこれまで試みられている．そこで本研究では，最適なナノ構造の探索方法の開発をし，さらに効率的な探索を実現するための検証を行った．計算対象は，固体または空隙の状態を割り当てた格子からなる2次元構造とした．ナノ構造における熱伝導率の決定因子である構造由来の平均自由行程を，フォノンレイトレーシング法を用いて求めた．最適化には焼きなまし法を用いた．この方法では，構造を徐々に変化させ，最適化対象である平均自由行程を求めて，減少した場合に新構造を採用する．また局所最適解に陥らないように，平均自由行程が増加した場合も確率に依存して新構造を採用する．焼きなまし法において，不利な構造を採用する確率は，温度と呼ばれるパラメータによって決定されるため，温度が最適構造の予測へ与える影響を検証した．具体的には，温度が高いほど不利な構造を採用する確率が高い．温度の変化についての検証を行った結果，最適化の序盤は温度を急激に下げ，ある程度構造が絞られてから温度変化をゆるやかにする手法が有効であることが明らかになった．また，こうした傾向は，格子数の異なる薄膜構造においても同様に成り立つことがわかった．以上の結果から，より大規模な構造においても同様のアプローチが有効であることが示唆された．
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Scientific Reports
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Journal of Applied Physics
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