- Address
- 305-0044 茨城県つくば市並木1-1 [アクセス]
学生受け入れ中
研究内容
- Keywords
Thermoelectrics, thermal transport, phonon, thermal barrier coatings
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
論文
- Zihang Liu, Naoki Sato, Weihong Gao, Kunio Yubuta, Naoyuki Kawamoto, Masanori Mitome, Keiji Kurashima, Yuka Owada, Kazuo Nagase, Chul-Ho Lee, Jangho Yi, Koichi Tsuchiya, Takao Mori. Demonstration of ultrahigh thermoelectric efficiency of ∼7.3% in Mg3Sb2/MgAgSb module for low-temperature energy harvesting. Joule. 5 [5] (2021) 1196-1208 10.1016/j.joule.2021.03.017 Open Access
- Naoki Sato, Norihide Kuroda, Shun Nakamura, Yukari Katsura, Ikuzo Kanazawa, Kaoru Kimura, Takao Mori. Bonding heterogeneity in mixed-anion compounds realizes ultralow lattice thermal conductivity. Journal of Materials Chemistry A. 9 [39] (2021) 22660-22669 10.1039/d1ta04958e
- Naoki Sato, Pei Se Gan, Naohito Tsujii, Takao Mori. Effect of microstructure on lattice thermal conductivity of thermoelectric chalcopyrite CuFeS2: experimental and computational studies. Applied Physics Express. 14 [8] (2021) 087002 10.35848/1882-0786/ac1231 Open Access
口頭発表
- BOURGES, Cedric Michel Claude, LAMBARD, Guillaume, SATO, Naoki, TACHIBANA, Makoto, ISHII, Satoshi, MORI, Takao. ALMLBO PIPELINE APPROACH APPLY TO MATERIAL PROCESS AND COMPOSITION OPTIMIZATION FOR ENERGY-SAVING APPLICATIONS. THE 11th INTERNATIONAL WORKSHOP ON ADVANCED MATERIALS SCIENCE AND NANOTECHNOLOGY. 2024 Open Access
- 佐藤 直大, 森 孝雄. ヘテロレプティック配位構造を有する複合アニオン化合物の低熱伝導率. 日本セラミックス協会第37回秋季シンポジウム. 2024
- SATO, Naoki, MORI, Takao. Extremely low thermal conductivity in mixed-anion materials with heteroleptic coordination. 40th International & 20th European Conference on Thermoelectrics. 2024
所属学会
日本熱電学会, 日本金属学会, 応用物理学会, 日本セラミックス協会
ナノアーキテクトニクス材料研究センター
フォノンエンジニアリングによる高性能熱機能材料の創製
熱電変換材料,熱輸送,フォノン,第一原理計算
概要
熱電変換材料や放熱材料をはじめとした多くの機能材料において、熱伝導率は材料性能を左右する重要な物性値である。物質中では主に電子と格子振動(フォノン)が熱を運ぶ担い手であるため、これらを精密に制御する方法論の確立が材料の高性能化に直結する。とりわけ、フォノンに由来する熱伝導のみを独立的に制御する技術のニーズが熱電変換などの分野で高まっている。そこで、第一原理計算などの理論計算手法を駆使した結晶構造や欠陥、微細組織の設計を通じて選択的にフォノンを制御し、所望の熱的特性を実現する「フォノンエンジニアリング」に立脚した材料研究を行っている。
新規性・独創性
● きわめて低い/高い熱伝導率を発現する結晶構造・局所構造のデザイン
● 未開拓物質群における新たな熱機能開発
● 所望の熱伝導率を実現する微細構造サイズの理論予測と実証
● 電子バンド・フォノンバンドの同時最適化による高性能熱電材料の創製
● 安価・低毒性・資源豊富な新規高性能材料の探索
内容
フォノンによる熱伝導率の大小を決定する内因的・外因的要素を理論計算と実験の両面から明らかにし、その結果に基づいて機能材料設計を行っている。歪んだ局所構造を有する複合アニオン化合物において、結合の強弱が著しく不均一になっているために周波数空間上で多様な振動状態が現れることを明らかにした。これに起因して、いくつかの複合アニオン化合物が、比較的軽元素から構成されるにもかかわらずきわめて低い熱伝導率が実現していることを理論計算と実験の両面から明らかにした。安価で環境調和性の高い熱電材料として期待される硫化物カルコパイライトの熱伝導率を低減するために、どの長さスケールのフォノンがどれだけ熱伝導率に寄与するのかを表す累積熱伝導率を理論計算によって求め、適切な微細構造のサイズを明らかにした。高性能熱電材料として知られるMg3Sb2において、特定の格子間サイトへのドーピングによってフォノンの散乱確率が著しく増加することを予測し、これに基づいて合成した試料において、大幅な熱伝導率の低減と熱電性能の向上を達成した。
まとめ
● 理論計算と実験的手法を駆使して熱伝導率を制御する内因的・外因的要素を解明
● 理論設計に基づいた低熱伝導率材料や高性能熱電材料の開発
● 材料の熱伝導率を自在に制御する技術を突き詰めることによって、さまざまな機能材料、エネルギー関連材料の高性能化が期待