第一原理に基づいた熱伝導解析によるバルク熱電変換素子の高性能化

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23760178
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 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): 2011 – 2013
• キーワード: 熱電変換 / 熱伝導 / フォノン / 第一原理 / 格子動力学 / 分子動力学

研究概要

本研究では，密度汎関数法，格子動力学法，分子動力学法，モンテカルロ法をシームレスに練成させたマルチスケールフォノン輸送解析ツールを開発し，単結晶，置換型合金結晶，ナノ構造化結晶などのバルク熱電変換材料のフォノンモードごとの熱輸送を解析することに成功した．鉛カルコゲナイド，ハーフホイスラー化合物，マグネシウムシリサイドなどの材料を対象として，まず単結晶について実験と比較して計算の妥当性を検証した上で，合金結晶の熱伝導率低減効果の組成比への依存性を明らかにした．さらに，累積熱伝導率や熱伝導率スペクトルの計算を通じて各材料に適したナノ構造の種類を同定し，材料設計指針を得た．

研究成果

• [雑誌論文] Origin of anomalous anharmonic lattice dynamics of lead telluride (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuma Shiga, Takuru Murakami, Takuma Hori, Olivier Delaire, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 7 ページ: 041801-1-4
  • DOI: 10.7567/APEX.7.04180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal conductivity of bulk nanostructured lead telluride (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuma Hori, Gang Chen, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 104 ページ: 021915-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4862323
• [雑誌論文] Effect of mass difference in isotope phonon scattering (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuma Shiga, Takuma, Hori, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53 ページ: 021802-1-6
  • DOI: 10/75767/JJAP.53.021802
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal resistance and phonon scattering at the interface between carbon nanotube and amorphous polyethylene (2013)
  • 著者名/発表者名: Sho Hida, Takuma Hori, Takuma Shiga, James Elliott, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 67 ページ: 1024-1029
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.08.06
  • 査読あり
• [雑誌論文] Importance of local force fields on lattice thermal conductivity reduction of PbTe_<1-x>Se_x alloys (2013)
  • 著者名/発表者名: Takuru Murakami, Takuma Shiga, Takuma Hori. Keivan Esfarjani, and Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Europhysics Letters 巻: 102 ページ: 46002-1-5
  • DOI: 10.1209/0295-5075/102/46002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phonon transport analysis of silicon germanium alloys using molecular dynamics simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Takuma Hori, Takuma, Shiga, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 113 ページ: 203514-1-6
  • DOI: 10.1063/1.4807301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gallium arsenide thermal conductivity and optical phonon relaxation times from first-principles Calculations (2013)
  • 著者名/発表者名: Tengfei Luo, Jivtesh Garg, Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Gang Chen
  • 雑誌名: Europhysics Letters 巻: 101 ページ: 16001
  • DOI: 10.1209/0295-5075/101/16001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zhifeng Ren, Stronger phonon scattering by larger differences in atomic mass and size in p-type half-Heuslers, Hf_<1-x>Ti_xCoSb0.8Sn0.2 (2012)
  • 著者名/発表者名: Xiao Yan, Weishu Liu, Hui Wang, Shuo Chen, Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Hengzhi Wang, Dezhi Wang, Gang Chen, Zhifeng Ren
  • 雑誌名: Energy & Environmental Science 巻: 5 ページ: 7543-7548
  • DOI: 10.1039/C2EE21554C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic, Magnetic and Thermal Properties of Graphene-Diamond Hybrid Structure (2012)
  • 著者名/発表者名: Takuma Shiga, Satoru Konabe, Junichiro Shiomi, Takahiro Yamamoto, Shigeo Maruyama, Susumu, Okada
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 100 ページ: 233101
  • DOI: 10.1063/1.4725485
• [雑誌論文] Phonon Conduction in Lead Selenide (PbSe) and Lead Telluride (PbSe) and Their Alloys (PbTe_<1-x>Se_x) from First Principles Calculations (2012)
  • 著者名/発表者名: Zhiting Tian, Jivtesh Garg, Keivan Esfarjani, Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Gang Chen
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 85 ページ: 184303
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.85.184303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic mechanism of low thermal conductivity in lead-telluride (2012)
  • 著者名/発表者名: Takuma Shiga, Junichiro Shiomi, Jie Ma, Olivier Delaire, Tomasz Radzynski, Andrzej Lusakowski, Keivan Esfarjani, Gang Chen
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 85 ページ: 155203
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.85.155203
  • 査読あり
• [雑誌論文] カーボンナノチューブ/ポリマー複合材の熱伝導における界面熱抵抗 (2012)
  • 著者名/発表者名: 飛田翔,志賀拓麿,丸山茂夫, James A. Elliott,塩見淳一郎
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 巻: 78 ページ: 634-643
  • 査読あり
• [雑誌論文] 分子動力学法によるシリコン結晶のモード依存フォノン輸送解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 堀琢磨,志賀拓麿,丸山茂夫,塩見淳一郎
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 巻: 78 ページ: 328-337
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of bending buckling of carbon nanotubes on thermal conductivity of carbon nanotube materials (2012)
  • 著者名/発表者名: Alexey N. Volkov, Takuma Shiga, David Nicholson, Junichiro Shiomi, Leonid V. Zhigilei
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 053501-1-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal conductance of buckled carbon nanotubes (2012)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, Takuma Shiga, Shigeo, Maruyama, Kazuyuki Watanabe, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 51 ページ: 015102-1-5
  • DOI: 10.1143/JJAP.51.015102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal conductivity of half-Heusler compounds from first-principles calculations (2011)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Gang Chen
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 ページ: 104302-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.84.104302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of phonon lifetimes and thermal conductivity of a carbon nanotube on amorphous silica (2011)
  • 著者名/発表者名: Zhun-Yong Ong, Eric Pop, Junichiro Shiomi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 ページ: 165418-1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.84.165418
• [学会発表] Phonon transport in nanostructured thermoelectric materials (2013)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: IUMRS International Conference in Asia
  • 発表場所: Bangalore, India
  • 年月日: 2013-12-16
  • 招待講演
• [学会発表] Multiscale phonon transport analysis of alloyed and nanostructured thermoelectric materials (2013)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress & Exposition
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2013-11-17
  • 招待講演
• [学会発表] Multiscale analysis of phonon transport in nanostructured thermoelectric materials (2013)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: The 32rd International Conference on Thermoelectrics
  • 発表場所: Kobe, Japan
  • 年月日: 2013-07-03
  • 招待講演
• [学会発表] Multiscale analysis of phonon transport in thermoelectric materiarls (2013)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: 2013 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2013-04-04
  • 招待講演
• [学会発表] Numerical analysis of mode-dependent phonon transport - Towards accuracy and complexity (2012)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: ISSP-CMSI international workshop/symposium on Material Simulation in Petaflops era (MASP2012)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2012-07-06
  • 招待講演
• [学会発表] Thermal transport in carbon nanotubes in practical situations, Material Research Society (2012)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: International Conference of Young Researchers on Advanced Materials
  • 発表場所: Singapore, Singapore
  • 年月日: 2012-07-02
  • 招待講演
• [学会発表] Microscopic heat conduction simulations for designing thermoelectrics (2011)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: International Workshop on Micro/Nano-Engineering
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2011-12-18
  • 招待講演
• [学会発表] Numerical analysis of mode-dependent phonon transport Towards accuracy and complexity (2011)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi
  • 学会等名: 7th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena - Science and Engineering
  • 発表場所: Shima, Japan.
  • 年月日: 2011-12-12
  • 招待講演
• [学会発表] Lattice thermal conductivity of half-Heusler compounds from first principle calculations (2011)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Xiao Yan, Zhifeng Ren, Gang Chen
  • 学会等名: International Thermoelectric Conference
  • 発表場所: Traverse City, USA
  • 年月日: 2011-07-02
• [学会発表] Thermal conductivity of half-Heusler compounds from first principle calculations, Material Research Society (2011)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Gang Chen
  • 学会等名: (MRS) Spring Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2011-04-29
• [図書] 「熱電変換材料の設計:第一原理に基づく格子熱伝導解析」,環境発電ハンドブック (2012)
  • 著者名/発表者名: 塩見淳一郎
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
• [備考]
  • URL: http://www.phonon.t.u-tokyo.ac.jp