分子熱工学と情報科学を融合した手法による界面の熱電変換機能の創成

利用分子热工学和信息科学相结合的方法创建界面热电转换函数

• 批准号: 17J08427
• 负责人: FENG LEI
• 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: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J08427/
• 关键词: 熱電変換; 熱輸送の波動性; ナノ粒子の局所共鳴効果; ストップバンド; 界面熱輸送; 原子グリーン関数法; フォノン波束動力学法; 非平衡グリーン関数法

更なる高性能熱電変換を実現するためには，界面における熱・電気輸送の制御性(熱を通しにくく，電気は通しやすいというフォノン・電子輸送のデカップリング)を高める必要があるといえる。マトリックスに埋め込んだナノ粒子系の構造・物性を利用し、ナノ粒子に由来する干渉・共鳴などの熱輸送の波動性を制御するほか、ナノ粒子の周りに電子が通るパスを確保することで熱・電子輸送のデカップリング効果が期待される。そこで、界面における熱・電気輸送の一貫性のある評価手法を実施することによって、原子レベルの微視的な構造を出発し拡散効果までを取り入れた3次元の熱電変換性能の評価を可能にした。一方、機械学習の手法とこの界面における熱電変換性能の評価手法に融合し、最適化問題を解くことでナノ粒子の物性、形状因子と配置などの多次元最適化を行う。本年度は、昨年度に明らかにした単一のナノ粒子による熱輸送の波との局所共鳴効果を踏まえて研究し続けた。具体的には、周期的なフォノニック結晶とナノ構造の概念を融合し、数個の局所構造を等間隔に配置した「局所的な周期性」を取り入れることで、複数の局所共鳴の集合的な効果を励起し、ストップバンドを形成するによって、より幅広い周波数範囲のフォノン伝播を抑制できることを計算によって示した。さらに、伝播方向に直行する方向において有限な波数を持つ波に対しても同様の評価を行い、ある程度の波数空間の範囲にストップバンドのロバスト性を有することを明らかにした。このロバスト性を現実的な系での熱伝導率の制御性に繋げることが今後の課題となる。ゲルマニウムナノ粒子を埋め込んだシリコンマトリックスの系に対して、ストップバンドの形成を検証し熱伝導率を下げる効果を確認できたと同時に、拡散効果を入れた電子輸送計算も行ったことで、純粋のシリコン単結晶より熱電変換性能は五倍増が実現可能の構造を提案した。

为了实现更高的性能热电转换，有必要提高界面处的热和电运传输的可控性（声子和电子传输的解耦，这意味着很难通过热量，并且电力易于通过）。通过利用嵌入基质中的纳米颗粒的结构和物理特性，它可以控制热传输的振动特性，例如纳米粒子的干扰和共振，并确保电子通过纳米颗粒围绕纳米粒子传递的路径，预计将提供热和电子传输效应。因此，通过在界面上实施一致的热量和电力传输的评估方法，我们使评估3D热电转换性能是可能的，从原子级显微镜结构开始，甚至融合了扩散效应。另一方面，它与机器学习方法和用于热电转换性能的评估方法结合在一起，通过解决优化问题，可以对纳米粒子性质，形状因子和布置进行多维优化。今年，根据去年揭示的热传输波的局部共振效应，我们继续进行研究。具体而言，我们已经计算出，通过结合周期性的语音晶体和纳米结构的概念，结合了“局部周期性”，其中几个局部结构被安排得同样间隔，激发了多个局部共振的集体效应，并且可以抑制多个局部共振和形式的停止频段，声子传播在较大的频率范围上。此外，对垂直于传播方向的有限波数的波进行了类似的评估，表明停止频段的稳健性在一定的波浪数空间范围内。未来的挑战将是将这种鲁棒性与现实系统中热导率的可控性联系起来。在带有网络纳米颗粒的硅基质系统中，我们能够验证停止频段的形成并确认降低导热率的效果，与此同时，我们还具有扩散效应的电子传输计算，并提出了一种结构，该结构可以将热电话转换性能增加五倍比纯硅硅单晶含量更高。

项目成果

Russian Academy of Sciences(ロシア連邦)

俄罗斯科学院（俄罗斯联邦）

ZT enhancement of silicon thermoelectrics by germanium nanoinclusions using phonon-interference resonance

利用声子干涉共振通过锗纳米夹杂物增强硅热电性能

• 发表时间: 2018
• 作者: Lei Feng;Takuma Shiga;Haoxue Han;Shenghong Ju;Ohnishi Masato;Yuriy A. Kosevich;and Junichiro Shiomi
• 通讯作者: and Junichiro Shiomi

Designing Nanostructures for Phonon Transport via Bayesian Optimization

• DOI: 10.1103/physrevx.7.021024
• 发表时间: 2017-05-17
• 期刊: PHYSICAL REVIEW X
• 影响因子: 12.5
• 作者: Ju, Shenghong;Shiga, Takuma;Shiomi, Junichiro
• 通讯作者: Shiomi, Junichiro

Phonon-interference Resonance Effects of Nanoparticles Embedded in a Matrix

嵌入基质中的纳米粒子的声子干涉共振效应

• 发表时间: 2018
• 作者: Lei Feng;Takuma Shiga;Haoxue Han;Shenghong Ju;Yuriy A. Kosevich;and Junichiro Shiomi
• 通讯作者: and Junichiro Shiomi

Revisiting PbTe to identify how thermal conductivity is really limited

• DOI: 10.1103/physrevb.97.184305
• 发表时间: 2018-05
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: S. Ju;T. Shiga;Lei Feng;J. Shiomi