ナノカーボン系構造欠陥のマルチスケール熱伝導計算のための新規方法論の開発

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前年度までの研究で、コニカルヘリックスナノファイバー(CHNF)およびカップスタックナノファイバー(CSNF)の熱伝導率が単層カーボンナノチューブ(SWNT)とグラフェンナノリボン(GNR)の熱伝導率より2桁小さいことがわかった。これはCHNFとCSNFが優れた熱電変換性能の持つ可能性を示す結果である。そこで、本年度は半経験的なヒュッケル法に基づく非平衡グリーン関数法を用い、これらの材料の熱電性能の評価を行った。熱電性能指数ZTの値を評価したところ、値はフェルミ準位の位置により変動するが、CSNFでは最大5.2、CHNFでは最大2.8と大変高かった。欠陥を有するCHNFでは、無欠陥の場合に比べてZTの値が低くなったが、それでも最大1を超える高い値であった。また、計算結果からCSNFは半導体的に、CHNFは金属的にふるまうことがわかった。不純物等をドープしない場合のフェルミ準位におけるCSNFの電気伝導度は大変低かったが、これは熱電能が高いこと(S>1.5mV/K)と対応する。他方、CHNFの熱電能の最大値は、0.5mV/K未満であった。今年度の研究により無欠陥のコニカルカーボンナノファイバーにおいて高い熱電性能指数が得られたことは、これらの材料の熱電性能を実験的、理論的にさらに検討する価値が高いことを示している。以上の結果に加え、CHNFとCSNFの熱伝導特性についてもさらなる考察を行った。フォノン分散を詳しく調べ、CSNFとCHNFは熱伝導率の値自体は同程度であるものの、フォノン分散は大きく異なることを明らかにした。以上の結果は、博士論文にまとめた。