Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Phonon lifetimes; unifying inelastic neutron scattering measurements with first-principle calculations

Alternativ tittel: Fononlevetider: en kombinasjon av uelastisk nøytronspredning og beregninger

Tildelt: kr 11,9 mill.

Vårt miljømessige nedslagsfelt er betydelig, og vi må raskt forandre vårt energiforbruk. Et viktig punkt i den forbindelse er hvordan vi håndterer gjenbruk og konvertering av varmeenergi, samt mer lokalisert og integrert varmeregulering for å forbedre komfort, levetid og energikonverteringseffektivitet. Materialer brukes allerede til termisk regulering uten behov for bevegelige deler, f.eks høyentropi ledge ringer og termoelektriske materialer. Sistnevnte kan høste spillvarme og konvertere denne til strøm eller brukes for integrert punktkjøling og termisk regulering i kretser og enheter. Disse anvendelsesområdene kan realiseres på grunn av de termiske egenskapene til materialet; hvordan atomene vibrerer ved forskjellige betingelser som f.eks temperatur. For å optimalisere eksisterende eller oppdage nye materialer er det viktig å forstå de atomære vibrasjonene og hvordan de vekselvirker med andre fysiske fenomener, f.eks elektrisk strøm. Spesielt viktig er det å forstå levetiden til disse vibrasjonene. Enkelt sagt; vibrasjonene er bølger og levetiden et mål for hvor langt bølgene kan bre seg i materialer før de forsvinner. I dette prosjektet skal forskere fra universitetet i Stavanger, SINTEF, Danmarks Tekniske Universitet, Helmholtz-Zentrum Berlin og samarbeidspartnere utvikle nye eksperimentelle og beregningsmessige metoder for å analysere resultater fra høyoppløst nøytronspredning, en teknikk som er unik for å observere vibrasjoner av atomer. Teamet skal beregne, måle og analysere vibrasjonenes levetid og den termiske ledningsevnen for et nøkkelsett av materialer. Det skal utvikles modeller som muliggjør estimering av termiske egenskaper ved å bruke tilgjengelig makroskopisk kunnskap om materialene, f.eks hvordan atomene er organisert i materialet. På denne måten vil vi prøve å bidra med en sentral brikke i realiseringen av mer forutsigbare beregninger av materialer for termisk kontroll, i tillegg til å skape ny generisk viten.

We propose to develop a coherent strategy to compute, measure and analyse phonon lifetimes and thermal conductivities for advanced materials, which will make possible to predict new materials for thermal management and yield the possibility to predict new or better optimized thermoelectric materials containing non-toxic and earth-abundant elements. This coherent strategy is based on computational developments, implementing both anharmonic and incoherent effects, in addition to the temperature effects on the phonon and electrical properties. These will be based on density functional theory (DFT) and post-DFT methods like screened Green’s functions (GW) and time-dependent-DFT (TDFT) and developments therein. In combination, this will allow us to develop generic workflows for each computational task and execute a large-scale screening study after initial experimental verification using three selected thermoelectric materials, strontium titanate, a skutterudite compound and a clathrate compound. We will determine the phonon lifetimes in the selected benchmark systems with high precision. A novel combination of the highest energy and momentum resolution neutron scattering techniques and Raman scattering will be used. Instrumental resolution functions will be revised and resolution functions for the future spectrometer BIFROST at the European Spallation Source will be computed. The scope of this proposal demands a highly experienced project group with top international research partners from different fields, such as neutron instrumentation and atomic-scale modelling. The project will mainly be executed by two national partners: University of Stavanger (UiS) and SINTEF and two international partners: Helmholtz-Zentrum Berlin and the Technical University of Denmark, thus ensuring knowledge transfer and contributing to the development of national expertise within these techniques.

Budsjettformål:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale