- Address
- 305-0044 茨城県つくば市並木1-1 [アクセス]
研究内容
- Keywords
Thermoelectrics, thermal transport, phonon, thermal barrier coatings
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
タイトル
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
キーワード
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
● 点欠陥-フォノン散乱解析コードの開発
● 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。Green関数法とT-matrix近似に基づく点欠陥-フォノン散乱解析コードを開発し、著しくオフセンター化した点欠陥が格子熱伝導率を劇的に低減する効果の起源を定量的に解明した。熱電材料における適切な点欠陥構造を理論設計するための基盤を構築しつつある。また、物質中の局所構造を特徴づける様々な指標と、構成原子間の相互作用、化学結合の指標とを関連付けて解析するコードを開発し、歪んだ局所構造を有する複合アニオン化合物群に適用することで、本質的に低い格子熱伝導率と局所構造との関係を明らかにするとともに、あらたな低格子熱伝導率物質群の予測が可能になった。
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
この機能は所内限定です。
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