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Research

Keywords

Thermoelectrics, thermal transport, phonons, thermal barrier coatings

PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.

Society memberships

日本熱電学会, 日本金属学会, 応用物理学会

Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA)
Title

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

Keywords

熱電変換材料,熱輸送,フォノン,第一原理計算

Overview

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。

Novelty and originality

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

Details

image

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。

Summary

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

この機能は所内限定です。
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