層状酸化物熱電変換材料のフォノン熱伝導機構の解明及びその制御指針の提案

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本研究では層状Co酸化物熱電材料に着目し，そのフォノン熱伝導機構を解明することで，熱伝導制御指針ひいては包括的な熱電性能向上指針を提案することを目的としている．最終年度では以下の3点を実施した．1. 隣接層の非調和振動により散乱されるフォノンを特定するため，NaxCoO2およびCa3Co4O9を対象に熱伝導度の周波数解析を行った．その結果，NaxCoO2ではNa層が低周波数で振動しているため低周波数域のフォノンが強く散乱され，Ca3Co4O9ではCa2CoO3層が広い周波数域で振動しているため高周波数域においてもフォノンが散乱されることが分かった．熱伝導度の低下における隣接層が果たす役割が理論面から明確になった．2. 熱伝導度を低下させる具体的な手法を提案するため，Ca3Co4O9を対象に隣接層中のCaO面の数を増加させたモデルを作成し，構造および熱伝導解析を行った．その結果，隣接層中の結合歪みを大きくするほど非調和振動性が強まり，CoO2層によるフォノン熱伝導も間接的に低減できるという熱伝導設計指針が得られた．3. 実用上の課題となる格子欠陥や配向性が熱伝導に与える影響を解明するため，MgO対称傾角粒界を対象に熱伝導解析を行った．その結果，粒界の影響は粒界近傍のみならず粒内にまで及んでおり，それゆえに熱伝導度が大きく低下することが判明した．また，80種類以上の結晶粒界を対象に熱伝導度を算出したところ，粒界構造に依存して熱伝導度が大きく変化すること，過剰体積と熱伝導度の間に強い相関があることが明らかになった．加えて，周波数解析を行った結果，粒界構造が異なっても散乱されるフォノンはあまり変化しないことが分かった．従って，過剰体積が大きく熱伝導度の小さい大傾角粒界を多く析出させることが，実材料において熱伝導度を低減させるための有効な手段と言える．