最適化したナノ構造により結晶性材料の熱伝導率を最小に~MIを駆使して熱機能材料の開発へ応用期待~

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2020-06-03 科学技術振興機構,東京大学

ポイント
  • ナノ構造の最適化によって半導体材料の熱伝導率を制御する技術が求められている。
  • マテリアルズ・インフォマティクスによって熱伝導率を最小化する技術を実証した。
  • 熱電変換技術など、低熱伝導率の結晶性材料が求められる応用での活用が期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、東京大学の塩見 淳一郎 教授らは、半導体材料の熱伝導率を内部のナノ構造によって低減することを目的として、機械学習と分子シミュレーションを組み合わせたマテリアルズ・インフォマティクス(MI)で最適なナノ多層構造を設計し、作製、評価することで熱伝導率の最小化に成功しました。

2017年に本研究グループは計算科学に基づくMIによって、熱伝導率を最小あるいは最大にする最適構造を設計する手法を開発しました。しかし実験による実証はできておらず、ナノスケールにおける構造の作製と物性の計測に基づく最適構造の実現が望まれていました。

そこで本研究グループは、2種類の材料を数ナノメートル(nm)ずつ交互に積み重ねる超格子構造を対象として、原子レベルで構造の制御が可能な成膜法とナノスケールの膜厚の熱伝導率が評価できる計測法を駆使し、熱伝導率を最小化する最適な非周期超格子構造を実現しました。さらに最適構造では熱伝導を担う格子振動(フォノン)が波動的に干渉する効果が最大化し、熱伝導が強く抑制されることを明らかにしました。

今後、熱電変換材料など、電気伝導率や機械的特性を維持しながら熱伝導率を低減できる熱機能材料の開発に役立つことが期待されます。。

本研究成果は、米国科学誌「Physical Review X」のオンライン版で近日中に公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域:「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」
(研究総括:谷口 研二 大阪大学 名誉教授、副研究総括:秋永 広幸 産業技術総合研究所 デバイス技術研究部門 総括研究主幹)

研究課題名:「メカノサーマル工学による熱電技術の低コスト化と高付加価値化」

研究代表者:塩見 淳一郎(東京大学 大学院工学系研究科 機械工学専攻 教授)

研究期間:平成28年10月~令和4年3月

JSTはこの領域で、さまざまな環境に存在する熱、光、振動、電波、生体など未利用で微小なエネルギーを、センサーや情報処理デバイスなどでの利用を目的とした電気エネルギーに変換(環境発電)する革新的な基盤技術の創出を目指します。

上記研究課題では、IoT用センサーの自立電源としての応用などを目的として、熱電発電デバイスに、機械的特性と熱電特性を複合した新しい機能を材料レベル(材料内部のナノ構造や局所ひずみを利用して安価材料を高効率化)とデバイスレベル(熱電性能を犠牲にせずに発電モジュールを超柔軟化)で付加します。これによって、費用対効果および複雑熱源(粗面・曲面・伸縮面)での設置性・熱回収性を大幅に向上し、熱電発電技術の実用化と普及を加速させます。

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