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いつやらぶり
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1 熱電変換材料の実験値データベース構築と実験値マテリアルズインフォマティクス拓史 1,3, 桂ゆかり 1,3, 熊将也 2, 今井庸 3, 郡司咲 3, 村薫 1 本属学会 2017 秋 1 東京学学院新領域創成科学研究科物質系専攻 2 理化学研究所新知能統合研究センター 3 物質材料研究機構物質材料統合研究拠点 [1] P. Gorai et al., Comp. Mat. Sci. 112 (2015) [2] J. Yan et al., Energy Environ. Sci. 8 (2015)

2 試料依存性同じ物質名でも試料の個体差がきく特性が何桁も異なることも多いドーピングによる試料特性の変化を考慮した分析が必要第原理計算だけでは情報が不しており実験データを使した MIが必要熱電材料特性の複雑さ無次元性能指数 ZT σs κ T S: ゼーベック係数 σ: 電気伝導度 κ: 熱伝導率論中の実験データを規模に収集分析する法が必要 G. J. Snyder and E. S. Toberer, Complex thermoelectric materials., Nature Materials, 7, 2 (2008) p

3 熱電材料特性の複雑さ試料依存性同じ物質名でも試料の個体差がきく特性が何桁も異なることも多いドーピングによる試料特性の変化を考慮した分析が必要第原理計算だけでは情報が不しており実験データを使した MIが必要 Mg2Si のドーピングによる実験値の変化論中の実験データを規模に収集分析する法が必要 G. J. Snyder and E. S. Toberer, Complex thermoelectric materials., Nature Materials, 7, 2 (2008) p

4 熱電材料における既存の実験値データベース Materials Research Laboratory (MRL) 約 100 論からの実験値を収集 ( 共同研究者 6 名 ) 1 材料系につき数試料のデータを収録既存の実験値を材料系ごとに較 M.W. Gaultois et al. Chem. Mater (2013)

5 熱電材料に関する論上の実験データを効率的にデータベース化する法を開発すること程通常の作業作業の効率化完全動化 ( 理想 ) 論ダウンロードグラフ抽出情報作業で 1 本ずつ材料研究者の内在的知識を活本研究の的針リストに従って動ダウンロード ( 無料 ) 作業を効率化する半動化ソフトで研究者が情報動ダウンロード (TDM API) 画像認識で動抽出テキストマイニングで内容と脈を動抽出作業者研究業務員研究業務員 + 研究者情報科学者対応論数数百本数千数万本? 制限なし準備期間作業の効率を 1 2 年? 3 5 年? コメント 10 倍にすればいい情報量が最化情報量が少なく不正確変すぎる早くMIが始められるチェックで度間未確の技術完全動化は理想だが論やグラフのフォーマットがばらばらすぎて困難専家の論読解を有効活する枠組みが必要

6 論実験値の収集論 PDF のダウンロード作業を分割してうことで効率化できる Pb site 論のグラフ画像抽出 Te site Pb site:pb or Sn Te site:te, Se, or S サンプル情報記特性値データトレースターゲット材料熱電材料としてよく研究されている PbTe 系半導体 (NaCl 構造の PbTe, PbSe, PbS, SnTe)

7 論実験値の収集論 PDF のダウンロード thermoelectric materials で検索した 18,471 の論リストから PbTe 系材料に関する 254 件の論 PDF をダウンロード list of 18,471 papers PDF の名前はリスト番号 _DOI にして保存

8 論実験値の収集論のグラフ画像抽出 Starrydata Station Made by 桂助教物理量と図表番号をクリックするだけでファイル名動設定画像保存画像ファイル名をリスト番号_DOI_図表番号_物理量にして保存 σ, S, κの温度依存性に関するグラフを論から抽出

9 サンプル情報記特性値データトレース論実験値の収集 453 試料の実験値の数値データを収集し csv 形式で保存論図試料組成に関する情報をファイル名にして管理 txt ファイルを画像ファイル名 _ 試料組成にして保存 Traced by Webplotdigitizer Copyright , Ankit Rohatgi

10 PbTe 系材料 453 サンプルの収集データ Temperature dependence plot of S, σ, κ 23 種類の置換元素 Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Si, Sb, Bi, Cl, I, Cr, Mn, Zn, Ag, Cd, Hg, La, Ce, Yb 特性に常に広い幅があるこのプロットから傾向を判断するのは難しい特性間の相関の傾向を分析

11 S log(σ) 相関プロット Te 軽い anion ほど S がさくなる (Te > Se > S) 伝導帯は主に Pb の s-p バンドから成る anion の種類による S の変化がない価電帯は主に anion の p バンドから成る anion の種類によるフェルミ付近の状態密度変化が S に影響

12 S log(σ) 相関プロット Se 軽い anion ほど S がさくなる (Te > Se > S) 伝導帯は主に Pb の s-p バンドから成る anion の種類による S の変化がない価電帯は主に anion の p バンドから成る anion の種類によるフェルミ付近の状態密度変化が S に影響

13 S log(σ) 相関プロット S 軽い anion ほど S がさくなる (Te > Se > S) 軽い anion ほどバンド端が低くなる (Te > Se > S) バンド端縮重が少なくなる伝導帯は主に Pb の s-p バンドから成る anion の種類による S の変化がない価電帯は主に anion の p バンドから成る anion の種類によるフェルミ付近の状態密度変化が S に影響

14 S log(σ) 相関プロット ( 過去のデータベース ) MRL データベースカルコゲナイド系 p type n type S with heavier anion > S with lighter anion anion の種類による S の違いがられない過去の実験値データベースでは 1 つの材料に対するデータが少なくてえなかった傾向がえた

15 κ σ 相関プロット原量 Te > Se > S κ with heavier anion < κ with lighter anion κ with mixed anions < κ with single anion まだデータの傾向に幅がきい cationの種類や微細構造の違いによる分類が必要

, Nature Materials, 7, 2 (2008) p105-114.

16 ZT log(σ) 相関プロット Pb site Te site G. J. Snyder and E. S. Toberer, Complex thermoelectric materials., Nature Materials, 7, 2 (2008) p Anion の種類によって ZT のピーク位置ときさが異なる計算から導かれる ZT の依存性と整合性があるデータ収集により物質ごとの最適な電気伝導率 σ を推定することができる

17 Starrydata2 本熱電学会熱電特性データベース WG(since 2015 Dec.) で論リスト実験値データの共有分の好きな材料系でのデータ収集や実験値分析の補助を的とする

18 まとめデータ収集今回提案したデータ収集法により個で PbTe 系の 453 試料のデータを収集することができた材料系を絞っていても幅広い温度依存性を持つデータが得られたデータ分析 Anion の違いによる熱電特性間の相関の違いを観察することができた様々な条件での分類から更に傾向を観察できる幅広いキャリア濃度を持つ試料のデータがあるため第原理計算の結果を補正して正しい電構造を導くことに利できると期待される本研究は科学技術振興機構 (JST) のイノベーションハブ構築援事業の情報統合型物質材料開発イニシアティブ (MI2I) から援を受けた

19 今後の展望熱電特性データベースWGでStarrydata2をいて実験値データベースを規模化グラフ型データベースの共有統計学経験則の証明新法則の発シミュレーションの深化第原理計算と実験値の整合性の確認フィッティングによる未知パラメータの導出データ科学の導により研究者に新しい知をもたらし材料の研究開発を幅に加速する機械学習 ( 変数選択スパースモデリングなど ) 実験値の予測電構造の逆算新規材料の探索

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untitled NPO 2006( ) 11 14 ( ) (2006/12/3) 1 50% % - - (CO+H2) ( ) 6 44 1) --- 2) ( CO H2 ) 2 3 3 90 3 3 2 3 2004 ( ) 1 1 4 1 20% 5 ( ) ( ) 2 6 MAWERA ) MAWERA ( ) ( ) 7 6MW -- 175kW 8 ( ) 900 10 2 2 2 9 -- - 10