酸化物熱電変換材料の転位による熱伝導低減機構の解明及びその制御指針の提案

阐明氧化物热电转换材料中位错引起的热传导降低机制并提出控制指南

基本信息

批准号：
22KJ2195
负责人：
関本渉
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2195/
关键词：
酸化物転位熱伝導フォノン熱電変換計算科学分子動力学法

项目摘要

本研究では、結晶・転位構造が比較的単純で理解が容易となるMgO等のモデル材料を対象に、実際の転位組織の影響の解析に先んじて孤立転位が熱伝導に与える影響を理論計算により詳らかに解明することを試みる。本年度では大別して以下の3点を行った。1. 熱伝導特性と配位環境変化の関係を検討し、格子熱伝導度に対する縦波・横波等のフォノンモードそれぞれに対し、様々な孤立した静的な転位が原子レベルでのフォノン熱伝導に与える影響の解明を試みた。その結果、転位芯や弾性ひずみがそれぞれ異なるモードのフォノン伝導を抑制していることが明らかになった。これにより、転位による個別フォノンモードを散乱機構が示唆され、孤立転位周りの熱伝導に関する理解が深まった。2. 実材料のような転位が入り乱れた組織の解析に先んじて、転位同士の相対的な位置関係のみを変化させた単純な転位組織をモデリングし、転位同士の相互作用、すなわち原子間結合の更なる歪みや転位の相対的な安定性等が格子熱伝導度に与える影響の解析を試みた。この際、転位同士の相対的な位置関係の変化による原子環境変化とフォノン特性の関係にも焦点を当てた。その結果、材料中に転位が均一に分布し転位による歪み場の分散が最大となる組織が熱伝導度を最も抑制することが明らかになった。このように、格子熱伝導度を低減するために有効な転位配置が明らかになりつつある。3. より現実的な転位組織が格子熱伝導機構に与える影響の検討のために、キンク転位をモデリングし、キンク転位中の刃状・らせん各成分が格子熱伝導度に与える影響の解析を試みた。その結果、各成分の変化による局所構造の変化、あるいは結合ひずみに起因して格子熱伝導度が低減することが分かった。これにより、現実の転位組織が格子熱伝導度に与える具体的な影響の理解がより深まった。

在本研究中，我们使用MgO等具有相对简单的晶体和位错结构且易于理解的模型材料，在分析实际位错结构的影响之前，进行了理论计算，以评估孤立位错对热传导的影响。我将尝试详细澄清它。今年，我们重点抓了以下三点。 1.研究热导率特性与配位环境变化之间的关系，我们发现各种孤立的静态位错在原子水平上影响每种声子模式的声子热传导，例如纵波和横波相对于晶格热导率We。试图阐明其影响结果表明，位错核和弹性应变抑制不同模式下的声子传导。这表明了位错对单个声子模式的散射机制，并加深了我们对孤立位错周围热传导的理解。 2. 在分析像真实材料一样位错混合在一起的结构之前，我们模拟了一个简单的位错结构，其中仅改变位错之间的相对位置关系，并研究了位错之间的相互作用，即原子之间的键合我们试图分析进一步应变、位错的相对稳定性等对晶格导热率的影响。此时，我们还重点关注由于位错和声子性质之间的相对位置关系的变化而导致的原子环境变化之间的关系。结果表明，位错在材料中均匀分布且位错引起的应变场分散最大的结构对热导率的抑制最大。通过这种方式，降低晶格热导率的有效位错排列变得清晰。 3. 为了考察更真实的位错结构对晶格热传导机制的影响，我们对扭结位错进行了建模，并尝试分析扭结位错中的边缘和螺旋成分对晶格热导率Ta的影响。结果发现，晶格热导率由于各成分的变化或键合应变引起的局部结构的变化而降低。这使得人们更深入地了解实际位错结构对晶格热导率的具体影响。