理論計算に基づく層状酸化物熱電変換材料のフォノン熱伝導機構の解明

点击翻译按钮获取中文摘要

異方性を持ち相平行方向の熱伝導低下が重要となる層状酸化物熱電変換材料Na_xCoO_2のフォノン熱伝導機構の詳細の解明を目指し、熱伝導度の元となる熱流束への縦波と横波の影響の定量的な比較を試みた。解析には既成の分子動力学法のコードを基に、熱流束のクーロン相互作用項の計算、及び熱流束への縦波、横波の寄与の出力を独自に加えたものを使用した。クーロン相互作用を含む熱流束の計算は逆格子空間で熱流束に関する連続の式を解く手法を用いた。この手法における熱流束は非クーロン項とクーロン項に分ける事が出来、クーロン項については更に実格子空間項と逆格子空間項、調整項に分けられる。このうち独立な方法で計算が可能な非クーロン項及びクーロン実格子空間項について、分子動力学法コード内で独立に計算できるエネルギーと力から求まる熱流束の移流項相当部分と比較し、振動の時間推移や振幅がともに良く一致することを確認した。300KでのNa_xCoO_2(x=0.5)を対象とし、層平行方向及び層間方向の熱流束に対するそれぞれの縦波と2つの横波の寄与の相対的な定量的比較を行った。熱流束及び縦波、横波の寄与について、それぞれの時間変化に対する偏差を計算し、偏差を振幅の指標として比較を行った。その結果、応用上より重要となる層平行方向に関しては、熱流束の振幅は縦波による寄与が主であることが分かった。熱流束における2つの横波は1つが原子の層平行方向の振動によるものであり、もう1つが原子の層間方向の振動によるものである。この2つの横波の振幅には差が見られ、層間方向と層平行方向の異方性が確認された。熱伝導度は振動の時間に対する相関関数で定義可能であるため、この異方性は直接熱伝導度への方位依存性に繋がり、熱電変換においてより重要になる層平行方向での熱伝導度の更なる低下の試みに対する大きな指針を与えた。