Investigation of Unusual Thermal Conductivity of Silver Chalcogenides and Development of Heat Flow Control Devices

银硫属化物异常热导率的研究及热流控制装置的开发

基本信息

批准号：
21J15714
负责人：
平田圭佑
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Toyota Technological Institute
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高性能な熱電素子、熱ダイオード・スイッチ等を開発できれば、未利用熱・廃熱の活用につながり、省エネルギー・カーボンニュートラルな社会の実現に貢献することが可能となる。これらの素子の高性能化には、固体の熱伝導度を支配する因子を理解したうえで、物理的考察から性能向上指針を構築することが不可欠である。本研究は、銀カルコゲナイドで観測された異常な電子・格子熱伝導度(極めて低い格子熱伝導度、古典論では説明できない電子・格子熱伝導度の挙動)の物理的起源を先端の実験・計算手法を駆使して解明し、得られた知見から熱伝導を制御・設計する指針を構築すること、および、得られた指針を熱制御素子や新たな熱機能性材料の開発に応用することを目指した。これまでに、高品質試料作製法の確立、精密な物性測定、熱伝導度の温度・電場・磁場依存性測定、および、放射光を利用した精密結晶構造解析を行った。その結果、銀カルコゲナイドの熱伝導度の異常な挙動は、電子・格子熱伝導度の両方の変化で生み出されており、電子・格子熱伝導度の評価には、従来用いられてきた単純なヴィーデマン・フランツ則が役に立たず、フォノンの強散乱極限において長波長音響フォノンだけが熱輸送に寄与すると仮定したモデルが有効であることが分かった。極めて低い格子熱伝導度の起源については、Ag原子のスプリットサイトもしくは侵入型欠陥の形成と関連することが分かった。また、研究を通して得られた知見から、高性能な熱電素子、熱ダイオード、熱スイッチの開発には、共通して、極めて低い格子熱伝導度および半導体的電子構造を有する材料が必要と分かった。実際に、銀カルコゲナイドやSi-Ge合金を用いて、室温以上で高い性能を示す複合材料熱ダイオード素子、キャパシタ型熱スイッチ素子、および、磁気熱伝導度効果材料（熱スイッチ）を開発した。

如果我们能够开发出高性能的热电元件、热敏二极管、开关等，就可以利用未利用的热量和废热，为实现节能和碳中和社会做出贡献。为了提高这些设备的性能，必须了解控制固体导热性的因素，并根据物理考虑制定性能改进指南。本研究使用先进的实验和计算来研究在银硫属化物中观察到的反常电子和晶格热导率的物理起源（极低的晶格热导率，无法用经典理论解释的电子和晶格热导率的行为）。各种方法来阐明这个问题，利用所获得的知识来制定控制和设计热传导的指南，并将所获得的指南应用于我的目标热控制元件和新型热功能材料的开发。到目前为止，我们已经建立了高质量的样品制备方法，测量了精确的物理性质，测量了热导率对温度、电场和磁场的依赖性，并利用同步辐射进行了精确的晶体结构分析。结果发现，银硫族化物热导率的异常行为是由电子热导率和晶格热导率两者的变化引起的，并且使用传统使用的简单韦德曼方法来评估电子热导率和晶格热导率。该模型假设弗朗茨定律没有用，并且只有长波长声子在强声子散射的极限下才有助于热传输，该模型才是有效的。人们发现极低晶格热导率的根源与Ag原子中分裂位点或间隙缺陷的形成有关。此外，研究结果表明，高性能热电器件、热二极管和热开关的开发通常需要具有极低晶格热导率和半导体电子结构的材料。事实上，我们利用银硫族化物和Si-Ge合金，开发了在室温以上表现出高性能的复合热二极管元件、电容器型热开关元件和磁热传导效应材料（热开关）。

项目成果

期刊论文数量（15）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Development of soid thermal diodes possessing a large thermo rectification ratio

开发具有大热整流比的固体热敏二极管

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Keisuke Hirata;Yusuke Goto;Masaharu Matsunami;Tsunehiro Takeuchi
通讯作者：
Tsunehiro Takeuchi

Capacitor-type thin-film heat flow switching device

电容式薄膜热流开关装置

DOI：
10.35848/1347-4065/ac3723
发表时间：
2021
期刊：
Japanese Journal of Applied Physics
影响因子：
1.5
作者：
Hirata Keisuke;Matsunaga Takuya;Singh Saurabh;Matsunami Masaharu;Takeuchi Tsunehiro
通讯作者：
Takeuchi Tsunehiro

Enhancement of thermoelectric properties of flexible Ag2S1-xSex (0 < x < 0.5) material by electronic structure modification

通过电子结构修饰增强柔性Ag2S1-xSex (0 < x < 0.5)材料的热电性能