サマリー

計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発動向 Trends in R＆D on Thermoelectric Material using Computational Science

このレポートは、IoTセンサーを駆動するための自立電源や、カーボンニュートラルに貢献できる廃熱発電として期待される熱電変換材料の最新研究開発動向を調査しています。

 レポート概要

身の回りにあふれている「熱」を有用な「電気」に変換する熱電材料の200年の歴史を変え得るブレークスルーが起きつつある。

1820年頃にゼーベック氏に発見されたゼーベック効果は、材料にかけた温度差によって電圧が発生するものであるが、コンパクトに固体素子で電気を作り出せる利便性にかかわらず、熱電材料の変換能力不足などにより、現在までに広範囲実用化に至っていない。しかし、最近、無数のIoTセンサーを駆動するための自立電源や、カーボンニュートラルに貢献できる廃熱発電としての社会的な要請が非常に高まっており、新規な高性能材料や高性能化原理の開発、モジュールの要素技術の開発、温度管理技術の開発、などが進んでおり、広く実装される日が近づいていると考えられる。

上記の中で、熱電変換能力を決定する熱電性能指数の向上はやはり至上命題である。パラドックス的な物性の要請に応えるために、最高の材料制御の科学技術が要求される。フォノンを選択散乱する方法、また、通常電気伝導とトレードオフの関係にあるゼーベック係数すなわちパワーファクターの増強方法、の双方の開発が必要である。いずれに関しても、例えば、前者は、フォノンや格子に関する計算や、熱伝達に関する計算、後者は、線形応答理論などの種々の相関に関する理論的な描像や、電子状態、バンド構造に関する計算など、理論的な知見がますます重要になっており、高性能熱電材料の開発に欠かせないものになっている。

なお、当該書籍では計算科学の次の分野での第一人者および気鋭の若手の先生方にご寄稿をお願いした（敬称略）。
　　・ 第一原理計算:　
　　　　1章　臼井 秀知（島根大学 助教）、黒木 和彦（大阪大学 教授）、
　　　　2章　宮田 全展（北陸先端科学技術大学院大学 助教）
　　・ 非平衡輸送理論：　
　　　　1章　松浦 弘泰（東京大学 助教）、小形 正男（東京大学 教授、
　　　　2章　山本 貴博（東京理科大学 教授）
　　・ 格子動力学計算：　　　
　　　　1章　只野 央将（物質・材料研究機構）
　　・ 分子動力学シミュレーション：　
　　　　1章　吉矢 真人（大阪大学 教授）、
　　　　2章　下野 昌人（物質・材料研究機構）
　　・ モンテカルロシミュレーション：
　　　　1章　堀　琢磨（東京農工大学准 教授）、
　　　　2章　大西 正人（東京大学特任 助教）
　　・ 連続体シミュレーション：　
　　　　1章　黒川 裕之（東京理科大学 研究員）、飯田　努（東京理科大学 教授）、他
　　・ マテリアルズ・インフォマティクス：
　　　　1章　藤井　進（大阪大学 助教）
　　
本著は、計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発の基礎、基盤技術から最先端の技術や動向を集約することによって、新規な高性能熱電材料の開発の加速に貢献することを目指している。読者の研究開発に少しでも寄与できれば幸いである。

■　監修：森　孝雄 / 塩見 淳一郎   ■　編集発行：（株）シーエムシー・リサーチ

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目次

第Ⅰ編　熱電変換材料の最新研究動向
　　　
第1章　熱電変換材料の最新研究動向概要　　　森　孝雄
1　導入
2　熱伝導率を選択的に低減する作戦
　2.1　マテリアルズインフォマティクスを活用した低熱伝導率材料の探索例
　2.2　複合アニオンによる不均一な化学結合による熱伝導率低減効果
　2.3　動的な電荷移動による大きな熱伝導異方性効果
　2.4　ドーピングによる化学結合の軟化による熱伝導率低減効果
　　　2.4.1　ドーピングによる格子の軟化の実験的な示唆（ラマン分光など）
　　　2.4.2　格子の軟化，または，フォノン散乱による熱伝導率低減効果の定性的比較
　2.5　原子間サイトへのドーピングによる熱伝導率低減効果
　2.6　欠陥制御
3　パワーファクター（ゼーベック効果）を増強する作戦
　3.1　界面制御による高電荷易動度
　3.2　欠陥制御
　3.3　磁性によるゼーベック係数の増強
　　　3.3.1　マグノンドラグ
　　　3.3.2　パラマグノンドラグ
　　　3.3.3　スピン揺らぎ
　　　3.3.4　磁気的なスピンエントロピー
4　まとめ
謝辞　参考文献
　　　
第Ⅱ編　第一原理計算
　　　
第1章　バレー縮重度とバンド異方性を同時に考慮した熱電性能の指標：122系ジントル相化合物を例に　　　臼井 秀知，黒木 和彦
1　はじめに
2　122系ジントル相化合物の熱電性能
3　122系ジントル相化合物の熱電特性の計算結果
4　122系ジントル相化合物の結晶構造とバンド構造
5　バンド縮重度と熱電性能の関係
　5.1　ホールドープ領域
　5.2　電子ドープ領域
6　バレー縮重度とバンド構造の異方性を組み合わせた熱電設計指針
7　おわりに
謝辞　参考文献
　　　
第2章　第一原理電子・フォノン計算と実験を活用したリン化物熱電材料の創製　　　宮田 全展
1　はじめに
2　第一原理計算コードOpenMXを活用した電子・フォノン輸送計算
3　P鎖状構造を有するリン化物Ag3SnP7におけるAgの非調和振動と第一原理電子・フォノン計算
　3.1　実験によるAg3SnP7の多結晶合成と格子熱伝導率
　3.2　第一原理計算によるAg3SnP7の電子・フォノン物性
　　　3.2.1　Ag3SnP7の電子構造と結合状態の解析
　　　3.2.2　4次の非調和項を繰り込んだ第一原理フォノン輸送計算とAg原子の非調和フォノン
4　まとめ
謝辞　参考文献
　　　
第Ⅲ編　非平衡輸送理論
　　　
第1章　熱電理論における微視的理論の方法：フォノンドラッグ効果を中心に　　　松浦 弘泰，小形 正男
1　はじめに
2　ボルツマン方程式から得られるSB関係式とその適用限界
3　SB関係式の成立条件：Kubo-Luttingerの線形応答理論に基づく熱電理論
4　SB関係式が成立する範囲内での熱電効果
　4.1　ノーダルライン半金属での表面状態に由来した熱電効果
5　SB関係式が成立しない状況での熱電効果
　5.1　フォノンドラッグ効果
　　　5.1.1　Kubo-Luttingerの線形応答理論を用いたフォノンドラッグ効果の理論
　　　5.1.2　強く乱れた系でのフォノンドラッグ効果：FeSb2への適用
　5.2　マグノンドラッグ効果
　5.3　電子格子相互作用の効果や電子間相互作用の効果
6　まとめ　参考文献
　　　
第2章　熱電効果のランダウア理論　　　山本 貴博
1　はじめに
2　電気伝導のランダウア理論
3　低温のコンダクタンスと量子化
4　熱伝導のランダウア理論
5　低温の熱コンダクタンスと量子化
　5.1　熱コンダクタンスの量子化
　5.2　ヴィーデマン・フランツの法則
6　熱電効果のランダウア理論
　6.1　モットの公式
7　熱電効果のランダウア理論の応用：量子ドット
脚注　参考文献
　　　
第Ⅳ編　格子動力学計算
　　　
第1章　熱電材料研究に資する第一原理格子動力学　　　只野 央将
1　はじめに
2　格子動力学法の理論背景
　2.1　原子間ポテンシャルとそのTaylor展開
　2.2　フォノン分散（調和近似）
　2.3　有限温度フォノン分散
　2.4　格子熱伝導率
　　　2.4.1　Peierls-Boltzmann理論
　　　2.4.2　緩和時間近似
　　　2.4.3　コヒーレントな熱輸送
　　　2.4.4　格子熱伝導率のスペクトル分解
　2.5　フォノン散乱
　　　2.5.1　フォノン─フォノン散乱
　　　2.5.2　フォノン─電子散乱
　　　2.5.3　不純物・無秩序効果
　　　2.5.4　粒界散乱
3　第一原理計算の実際
　3.1　IFCの第一原理計算
　3.2　計算のワークフロー
　3.3　LD法のソフトウェア
4　おわりに　参考文献
　　　
第Ⅴ編　分子動力学シミュレーション
　　　
第1章　分子動力学法を用いた熱伝導度評価およびメカニズム解析　　　吉矢 真人
1　はじめに
2　熱伝導度計算法としての分子動力学法と格子動力学法の違い
3　分子動力学法の基礎
　3.1　古典的原子間ポテンシャル
　3.2　アンサンブルと温度・圧力制御
4　分子動力学法による3種の代表的熱伝導度計算方法
5　摂動分子動力学法による熱伝導度計算とそのメカニズム解析結果
6　おわりに　参考文献
　　　
第2章　非平衡分子動力学法を用いた熱伝導予測　　　下野 昌人
1　はじめに
2　熱伝導率と熱電特性
3　分子動力学法
　3.1　分子動力学法の特徴
　3.2　原子間ポテンシャル
4　非平衡分子動力学法による熱伝導率の予測
　4.1　分子動力学法による熱伝導率予測
　4.2　周期境界条件によるバルク特性の予測（アルゴン結晶の場合）
　4.3　量子効果，欠陥，結晶粒径などを考慮した補正（CuFeS2カルコパイライトの場合）
　4.4　多層膜など複合材料の予測（TiNi/MgOナノ多層膜の場合）
　4.5　表面および添加元素の影響（Fe2VAlホイスラー合金の場合）
5　まとめ　参考文献
　　　
第Ⅵ編　モンテカルロシミュレーション
　　　
第1章　モンテカルロシミュレーションによるナノ構造化材料の熱伝導解析　　　堀　琢磨
1　ナノ構造化熱電変換材料
2　フォノン輸送の解析方法
　2.1　ボルツマン輸送方程式に基づくフォノンの輸送
　2.2　モンテカルロ法によるボルツマン輸送方程式の解法
　2.3　モンテカルロ法から発展した解析方法
3　フォノン輸送解析の具体例
　3.1　多角形ナノワイヤ
　3.2　ナノ多結晶体
　3.3　薄膜ポーラス体
4　まとめと今後の展望
参考文献
　　　
第2章　クラスター展開を用いた結晶構造予測　　　大西 正人
1　多元素系材料
2　クラスレート化合物
3　有限温度における結晶構造
　3.1　クラスター展開
　3.2　モンテカルロ法
4　I型クラスレート化合物の型熱電変換特性
　4.1　有限温度における結晶構造
　4.2　熱電変換特性
5　まとめ
参考文献
　　　
第Ⅶ編　連続体シミュレーション
　　　
第1章　熱発電デバイスのパラメトリックシミュレーションへ向けた開発　　　黒川 裕之，當眞 友太，渡辺 真也，渡辺 友梨奈，大堀 剛史，大串 哲朗，飯田　努
1　はじめに
2　熱電変換デバイスにおける数値解析手法
　2.1　伝熱解析と熱─電気連成計算の実施環境
　2.2　多様な熱源に対する熱発電デバイス設計環境の必要性
　2.3　パラメトリック解析および機械学習／AI化に向けた伝熱解析と熱─電気連成計算
3　熱発電デバイスの数値解析手法
　3.1　熱発電デバイス構造最適化へのモデル形成とアルゴリズム
　3.2　FlowDesignerによる伝熱解析とPythonプログラムによる熱─電気連成解析連携
4　熱発電デバイスシミュレーション
　4.1　計算モデル階層の構造化と構成モデルの主な役割
　4.2　物理層：伝熱解析，ゼーベック効果計算
　4.3　熱発電素子モデル層：ペルチェ効果吸発熱，トムソン効果吸発熱，ジュール
発熱計算
　4.4　発電量計算層：発電量予測計算
　4.5　最適動作検証層：変換効率・発電量最大動作点計算
5　熱インピーダンスマッチングおよび積算発電電力量（Wh）
6　リファレンス熱発電デバイスによるキャリブレーション環境の構築
7　おわりに
　　　
第Ⅷ編　マテリアルズ・インフォマティクス
　　　
第1章　結晶粒界における格子熱伝導機構と情報科学的手法による予測・理解　　　藤井　進
1　はじめに
2　結晶粒界による熱伝導度の低下と熱電性能の向上
3　計算対象と手法について
4　粒界構造の導出と系統的熱伝導解析
5　機械学習による粒界原子の分類と理解
6　局所的な構造の乱れと熱伝導性の相関
7　粒界構造を入力とした熱伝導度の予測
8　熱伝導性を支配する局所配位環境の特定
9　まとめ
謝辞
参考文献

執筆者一覧（掲載順）
森　孝雄　物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス 研究拠点（WPI-MANA）副拠点長＆MANA 主任研究者＆グループリーダー／筑波大学連携大学院 教授
塩見 淳一郎　東京大学大学院 工学研究科 機械工学専攻 教授
臼井 秀知　島根大学学術研究院 理工学系 助教
黒木 和彦　大阪大学大学院 理学研究科・物理学専攻 教授
宮田 全展　北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 環境・エネルギー領域 助教
松浦 弘泰　東京大学 理学系研究科 物理学専攻 助教
小形 正男　東京大学 理学系研究科 物理学専攻 教授
山本 貴博　東京理科大学 理学部 教授
只野 央将　物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス研究拠点 主任研究員
吉矢 真人　大阪大学大学院 工学研究科 マテリアル生産科学専攻 教授
下野 昌人　物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（WPI-MANA）NIMS 特別研究員
堀　琢磨　東京農工大学 工学研究院 先端機械システム部門 准教授
大西 正人　東京大学大学院 工学系研究科 機械工学専攻 特任助教
黒川 裕之　東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 飯田研究室 研究員
當眞 友太　東京理科大学大学院
渡辺 真也　東京理科大学大学院
渡辺 友梨奈　東京理科大学大学院
大堀 剛史　東京理科大学大学院
大串 哲朗　㈱アドバンスドナレッジ研究所 伝熱・冷却研究室 技術顧問
飯田　努　東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 教授
藤井　進　大阪大学大学院 工学研究科 マテリアル生産科学専攻 助教