時間反転対称性が破れたメゾスコピック系における熱機関の効率の探求

探索时间反转对称性破缺介观系统中热机的效率

基本信息

批准号：
16J11542
负责人：
山本薫
金额：
$ 1.22万
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：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

効率のよい熱電素子は、持続可能な社会実現のために必要不可欠である。そのような熱電素子の探索方法はいくつかあるが、そのうちの一つとしてゼーベック係数に着目する方法がある。ゼーベック計数は電子ホール対称性を持つ物質ではゼロになってしまうため、電子ホール対称性が強く破れる物質が高い熱電性能を持つだろう。本研究では、そのような物質の候補として、アンダーソン局在-非局在相転移が起こる系に注目し、ゼーベック係数及び性能指数の理論的計算を行った。アンダーソン局在-非局在相転移を示す熱電素子の先行研究では、ゼロ温度の時の電気伝導度の式を仮定し、各種の熱電係数の式を導出し、その式の数値積分及び近似計算を行っていた。これに対し、まず我々は過去の研究結果を系統的にまとめ、特に近似計算について先行研究の誤りを正し、また、今まで計算が行われていなかった絶縁体領域での新たな近似計算を行った。さらに我々は、①非特異的な項の影響②有限サイズ効果③移動度端が２つの時の影響という３つの効果に対して、ゼーベック係数及び性能指数がどのような影響を受けるかを調べた。特に③に関しては、不純物濃度が増え、ランダムネスが増すほどゼーベック係数及び熱電効率が上がるという非自明な結果を得た。このことは物理的直感とは反し、熱電性能増大への新たな指針となる可能性があると考えている。本研究の結果について、Physical review B誌から論文が出版された。

高效的热电元件对于实现可持续发展的社会至关重要。寻找此类热电元件的方法有多种，其中之一是关注塞贝克系数。由于电子空穴对称性材料的塞贝克系数为零，电子空穴对称性强的材料将具有较高的热电性能。在这项研究中，我们重点关注发生安德森局域-离域相变的系统作为此类材料的候选材料，并对塞贝克系数和品质因数进行了理论计算。在以往对表现出安德森局域-非局域相变的热电元件的研究中，我们假设了零温电导率的公式，推导了各种热电系数的公式，并对公式进行了数值积分和近似计算。针对这一问题，我们首先系统地总结了以往的研究成果，纠正了以往研究中的错误，特别是近似计算方面的错误，并对迄今为止尚未进行计算的绝缘体区域进行了新的近似计算。此外，我们研究了塞贝克系数和品质因数如何受到三种效应的影响：（1）非特定项的效应，（2）有限尺寸效应，以及（3）存在两个迁移率边缘时的效应。。特别是，对于③，我们得到了一个重要的结果：塞贝克系数和热电效率随着杂质浓度的增加和随机性的增加而增加。尽管这一事实与物理直觉相反，但我们相信它可能为提高热电性能提供新的指导方针。有关这项研究成果的论文发表在《Physical review B》杂志上。