Ajankohtaista

Väitös: 21.10.2016 Lämmönjohtavuuden tutkimuksella kohti tehokkaampia lämpösähköisiä materiaaleja (Härkönen)

Alkamisaika: perjantai 21. lokakuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: perjantai 21. lokakuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, KEM4

Ville HärkönenFM Ville Härkösen fysikaalisen kemian väitöskirjan ”Computational and Theoretical Studies on Lattice Thermal Conductivity and Thermal Properties of Silicon Clathrates” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä Professori Esa Räsänen (Tampereen tekninen yliopisto) ja kustoksena tohtori Gerrit Groenhof (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on suomenkielinen.

Lämpösähköisillä materiaaleilla voidaan tuottaa sähköenergiaa lämpötilaeroista. Mahdollisia sovelluskohteita on lukuisia, sillä hukkalämpöä esiintyy lähes kaikkialla teollisen mittakaavan energiantuotannosta elektroniikkaan. Esteenä lämpösähköisten materiaalien laajemmalle soveltamiselle on ollut muun muassa riittävän lämpösähköisen suorituskyvyn omaavien materiaalien puute sekä joissakin tapauksissa ihmisille haitalliseksi havaittujen alkuaineiden, kuten lyijyn, sisältyminen materiaaliin. 

Niin sanottujen puolijohtavien klatraattien on havaittu omaavan korkean lämpösähköisen suorituskyvyn saavuttamiseksi tarvittavia ominaisuuksia, kuten suhteellisen alhaisia lämmönjohtavuuden arvoja, joka on eräs keskeinen suure lämpösähköisen suorituskyvyn maksimoimiseksi. Vaikka lämmönjohtavuuden minimoinnin tiedetään johtavan todennäköisesti materiaalin lämpösähköisen suorituskyvyn kasvuun, ymmärrys mekanismeista, jotka johtavat lämmönjohtavuuden minimointiin on vaillinaista. Nykytietokoneiden kasvanut laskentakapasiteetti sekä ajan myötä kehittyneet teoreettiset ja laskennalliset menetelmät mahdollistavat näiden mekanismien entistä yksityiskohtaisemman tarkastelun edesauttaen tehokkaampien lämpösähköisten materiaalien kehittämistä. 

Härkönen tutki väitöksessään eräiden puolijohtavien piiklatraattien hilan lämmönjohtavuutta käyttäen laskennallista ja teoreettista lähestymistapaa. Tutkimuksessa kävi ilmi, että symmetrialtaan ja rakenteeltaan samankaltaisilla materiaaleilla lämmönjohtavuuden ero voi olla jopa kymmenkertainen. Saadut tulokset viittaavat myös siihen, että lämmönjohtavuutta alentavat mekanismit voivat olla samankaltaisia useilla kiteisillä aineilla kuten klatraateilla ja skutterudiiteilla. Tulokset antavat lisätietoja kiteisten aineiden lämmönjohtavuutta alentavista mekanismeista.

Tutkimuksessa eräälle klatraatille löydettiin poikkeavia negatiivisen lämpölaajenemiskertoimen arvoja. Lisäksi Härkönen johti väitöstyössään matemaattisia lausekkeita elastisten ja termisten ominaisuuksien laskemiseksi soveltaen monen kappaleen Greenin funktio -menetelmää. 


Lisätietoja:

Tohtorikoulutettava Ville Härkönen, ville.j.harkonen@jyu.fi, puh. 045 110 3130 
Viestintäharjoittelija Katja Ketola, tiedotus@jyu.fi, puh. 040 805 3638

Ville Härkönen valmistui sähköasentajaksi Pohjois-Karjalan ammattiopistosta Joensuussa vuonna 2003. Syksyllä 2009 hän aloitti opinnot Itä-Suomen yliopiston kemian laitoksella, josta valmistui filosofian maisteriksi syksyllä 2012. Tutkimus on suoritettu apulaisprofessori Antti Karttusen tutkimusryhmässä (Aalto-yliopisto) ja työn toisena ohjaajana on tohtori Gerrit Groenhof. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Luonnonvarain Tutkimussäätiö ja Jyväskylän yliopiston kemian laitos.

Teos on julkaistu sarjassa Department of Chemistry, University of Jyväskylä Research Reports numerona 195, 103s., Jyväskylä 2016, ISSN:0357-346X, ISBN: 978-951-39-6763-5. Pdf-version ISBN on 978-951-39-6764-2.


Abstract

In this thesis, the lattice thermal conductivity and other thermal properties of several silicon clathrates, which are known to be promising candidates for the thermoelectric applications, are studied by theoretical and computational techniques. The studied clathrates were the silicon clathrate frameworks I, II, IV, V, VII, VIII (Si23), H and the semiconducting clathrates [Si19P4]Cl4 and Na4[Al4Si19]. The relevance of seemingly unrelated phenomena such as the negative thermal expansion on the lattice thermal conductivity was studied.

At 300 K, the lattice thermal conductivity of the clathrate Na4[Al4Si19] was found to be about ten times smaller than obtained for the clathrate [Si19P4]Cl4 which possess the same space group symmetry than the former. It appears that the main reason for the preceding is in the second-order interatomic force constants of the clathrate Na4[Al4Si19], which change the phonon spectrum such that the phonon group velocities are lower and the anharmonicity of the lattice increases. The preceding, in turn, leads to the reduction in the relaxation times of acoustic phonons. The results indicate, that the effect of harmonic quantities can be rather large on the anharmonicity of two similar crystals and may lead to one-order lower lattice thermal conductivities, even when there are no such large differences in the third-order interatomic force constants.

In the study of thermal expansion of the silicon clathrate frameworks I, II, IV, V, VII, VIII and H, an anomalous negative thermal expansion temperature range was found for the framework VII, which appears to be mostly due to stronger third-order interatomic force constants.

Mathematical expressions to calculate different elastic and thermal properties of crystal were also derived by using the technique of many-body Green's functions and many-body perturbation theory. The mathematical expressions derived extend the existing results and allow a systematic study of elastic and thermal properties of crystals with arbitrary symmetry. 

Keywords: lattice thermal conductivity, clathrates, thermal expansion, many-body perturbation theory, Green’s functions

Lisätietoja

Tohtorikoulutettava Ville Härkönen
ville.j.harkonen@jyu.fi
+358451103130
kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,