第一原理および非平衡グリーン関数法を用いた熱電変換材料の熱伝導解析

昨年度は, 第一原理的に得られた原子間力定数を用いて, ボルツマン輸送方程式を逆格子空間で解く非調和格子動力学法を鉛テルライドと鉛セレン, および鉛テルライド・セレン合金結晶にそれぞれ適用した. 純結晶に対しては定量的な解析結果が得られたが, 合金系に対しては格子熱伝導率の低減を過小評価してしまい, 実験結果を再現できない課題があった. この課題を解決するためには, 合金化によって生じる局所実空間中の環境変化を考慮する必要があったため, 当該年度では実空間法である分子動力学法を用いて, 合金結晶の熱伝導解析を行った. 合金化効果のうち, 質量差変化は分子動力学法で容易に取り込むことが可能であるが, 力場差変化の取り込みは比較的難しい. 本来, 合金結晶中の原子間力定数計算は合金化割合や置換原子間の配置それぞれに対して計算する必要があるが, その計算量は極めて膨大になるため, 本研究で用いた第一原理熱伝導解析法の枠組みでは現実的でない. そこで純結晶の原子間力定数を合金化の度合いに応じて混合する経験的な方法を開発・実施し, 鉛テルライド・セレン合金の熱伝導率を計算したところ, 第一原理熱伝導解析で得られた過小評価は改善され, 実験を定量的によく再現する結果が得られた. 本方法論は鉛テルライド・セレン合金のみに留まらない一般的な方法であるため, 他の合金結晶の熱伝導解析においても適用可能であり, 様々な合金結晶の定量的な熱伝導解析に繋がる.

昨年度は, 第一原理的に得られた原子間力定数を用いて, ボルツマン輸送方程式を逆格子空間で解く非調和格子動力学法を鉛テルライドと鉛セレン, および鉛テルライド・セレン合金結晶にそれぞれ適用した. 純結晶に対しては定量的な解析結果が得られたが, 合金系に対しては格子熱伝導率の低減を過小評価してしまい, 実験結果を再現できない課題があった. この課題を解決するためには, 合金化によって生じる局所実空間中の環境変化を考慮する必要があったため, 当該年度では実空間法である分子動力学法を用いて, 合金結晶の熱伝導解析を行った. 合金化効果のうち, 質量差変化は分子動力学法で容易に取り込むことが可能であるが, 力場差変化の取り込みは比較的難しい. 本来, 合金結晶中の原子間力定数計算は合金化割合や置換原子間の配置それぞれに対して計算する必要があるが, その計算量は極めて膨大になるため, 本研究で用いた第一原理熱伝導解析法の枠組みでは現実的でない. そこで純結晶の原子間力定数を合金化の度合いに応じて混合する経験的な方法を開発・実施し, 鉛テルライド・セレン合金の熱伝導率を計算したところ, 第一原理熱伝導解析で得られた過小評価は改善され, 実験を定量的によく再現する結果が得られた. 本方法論は鉛テルライド・セレン合金のみに留まらない一般的な方法であるため, 他の合金結晶の熱伝導解析においても適用可能であり, 様々な合金結晶の定量的な熱伝導解析に繋がる.