モンテカルロシミュレーションによるナノ構造内のフォノン輸送解析

使用蒙特卡罗模拟进行纳米结构中的声子输运分析

• 批准号: 12J09161
• 负责人: 堀 琢磨
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J09161/
• 关键词: フォノン熱伝導; 熱電変換材料; ナノ構造; ボルツマン輸送; モンテカルロ法; 合金

本年度ではナノ多結晶構造におけるフォノンの実効的な平均自由行程を数値計算により求め，またそれにより熱伝導率への影響を考察した．ナノ構造におけるフォノンの実効的な平均自由行程を得るためには，ボルツマン輸送方程式とランダウアーの透過式から，ナノ構造へのフォノンの透過確率を求める必要がある．そこでレイトレーシング法を用いたフォノンの構造への透過シミュレーションを用い，平均自由行程の計算を行った．この方法の妥当性は理論解が明らかのあるナノワイヤにおいて確認をした．また，単純立方構造をした多結晶体，およびボロノイ図を用いたより複雑な形状をした多結晶体でシミュレーションを行った．これにより，粒径分布の広がりに伴って多結晶体中のフォノンの実効的な平均自由行程は長くなっていくことを定量的に示した．また，それらの平均自由行程の差が熱伝導率にどの程度反映されるか室温のシリコンを例に計算を行った．その結果，顕著な差は現れず，このことから熱伝導率の見積もりの際に単純立方構造による近似が有効であるという示唆を得た．

今年，我们通过数值计算计算了纳米多晶结构中声子的有效平均自由程，并考虑了其对热导率的影响。为了获得纳米结构中声子的有效平均自由程，需要根据玻尔兹曼传输方程和兰道尔传输方程计算声子传输到纳米结构中的概率。因此，我们通过使用射线追踪方法模拟声子传输到结构中来计算平均自由程。使用纳米线证实了该方法的有效性，其理论解决方案是明确的。我们还使用 Voronoi 图对具有简单立方结构的多晶体和具有更复杂形状的多晶体进行了模拟。结果，我们定量地证明了多晶材料中声子的有效平均自由程随着粒度分布的变宽而变长。我们还以室温下的硅为例，计算了平均自由程的差异在多大程度上反映在热导率中。结果，没有出现显着差异，这表明在估计热导率时使用简单立方结构的近似是有效的。

项目成果

Effective phonon mean free path in polycrystalline nanostructures

• DOI: 10.1063/1.4918703
• 发表时间: 2015-04-27
• 期刊: APPLIED PHYSICS LETTERS
• 影响因子: 4
• 作者: Hori, Takuma;Shiomi, Junichiro;Dames, Chris
• 通讯作者: Dames, Chris

分子動力学法によるPbTel-xSex合金の格子熱伝導解析

采用分子动力学方法分析 PbTel-xSex 合金的晶格热传导

• 发表时间: 2012
• 作者: 村上拓;志賀拓麿;堀琢磨;Tian Zhiting;Esfarjani Keivan;Chen Gang;塩見淳一郎
• 通讯作者: 塩見淳一郎

Effective mean free path prediction in nanostructures by using numerical transmission model

使用数值传输模型有效预测纳米结构中的平均自由程

• 发表时间: 2014
• 作者: Takuma Hori;Junichiro Shiomi;Chris Dames
• 通讯作者: Chris Dames

研究者の研究成果に関するwebページ

有关研究人员研究成果的网页

Thermal Conductivity Calculation of Magnesium Silicide Alloys by lattice Dynamics and Molecular Dynamics

用晶格动力学和分子动力学计算硅化镁合金的热导率

• 发表时间: 2014
• 作者: Takuma Shiga;Takuru Murakami;Takuma Hori;Keivan Esfarjani;Junichiro Shiomi
• 通讯作者: Junichiro Shiomi