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Calculation of Thermal Conductivity of Silver Chalcogenides by Machine Learning based on First-principles Molecular Dynamics

Research Project

Project/Area Number 21J10836
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

福島 省吾  熊本大学, 熊本大学大学院自然科学教育部理学専攻, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords分子動力学法 / 第一原理計算 / 機械学習 / 超イオン導電体 / 熱伝導 / 熱ダイオード / 相転移
Outline of Research at the Start

近年、廃熱の再利用や蓄熱などの観点から、任意の方向にのみ熱を流す熱整流素子の開発が盛んに行われている。組成比の異なる銀カルコゲナイド系を二つ接合させることで、実験的に熱整流効果の再現に成功しているが、その微視的機構は未だ明らかになっていない。本研究では第一原理分子動力学法に基づいた数値計算シミュレーションにより、熱整流効果の再現及びその微視的機構の解明を目的としている。人工ニューラルネットワークに基づいた機械学習により原子間ポテンシャルを構築することで、高精度かつ大規模な非平衡分子動力学シミュレーションを行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、熱整流効果が実験的に得られた銀カルコゲナイド混合系の熱力学的性質を調査することを目的として、第一原理分子動力学(FPMD)法に基づく計算機シミュレーションにより銀カルコゲナイド系の熱力学的性質を調べるとともに、そのデータに基づいて構築された人工ニューラルネットワーク(ANN)ポテンシャルを用いて、熱整流効果の再現を目標としている。
数千~数万原子からなる大きな系をFPMD法と同等の精度で扱うためには、ANNポテンシャルが必要である。そこで、ANNポテンシャルの効率的な構築方法について調べた。始めに銀カルコゲナイド系よりも原子間相互作用が単純なアルカリ金属を対象に、教師データの数Nに着目した。具体的には、動径分布関数やヘルムホルツの自由エネルギーのN依存性を調べた。58 psのFPMDシミュレーションのデータから、等間隔に構造を取り出して教師データとした。その結果、N=200-20000の範囲で一定の物性量が得られた。また、主成分分析により独立な教師データの数を見積もったところ、N=200-20000の範囲では、独立な教師データの数もおよそ一定であることが分かった。つまり、主成分分析により見積もられる独立な教師データの数が、ANNポテンシャルから得られる物性量の精度を決定していると示唆される。
また、昨年の研究により、FPMD法で銀カルコゲナイド系を扱う際の分散力補正の重要性が明らかとなった。しかし、銀カルコゲナイドの原子構造に対する分散力の具体的な影響は不明なままであった。そこで原子間結合の強度を調べるために、Population解析を行った。分散力補正を入れることにより、Se間に弱い結合が生まれていることが分かった。つまり、分散力補正によりSe間の引力が増加し、Se副格子が安定になり、そこで生まれたSe間の弱い結合によりSe副格子を維持していると考えられる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Southern California(米国)

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    • Author(s)
      Fukushima Shogo、Shimamura Kohei、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 92

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  • [Journal Article] Hydrogen Bonding in Liquid Ammonia2022

    • Author(s)
      Krishnamoorthy Aravind、Nomura Ken-ichi、Baradwaj Nitish、Shimamura Kohei、Ma Ruru、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 13 Issue: 30 Pages: 7051-7057

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c01608

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  • [Journal Article] Thickness dependence of dielectric constant of alumina films based on first-principles calculations2022

    • Author(s)
      Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 121 Issue: 6 Pages: 062902-062902

    • DOI

      10.1063/5.0106721

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      Linker Thomas、Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Nomura Ken-ichi、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Frontiers in Nanotechnology

      Volume: 4 Pages: 884149-884149

    • DOI

      10.3389/fnano.2022.884149

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    • Author(s)
      Yang Liqiu、Tiwari Subodh C.、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya、Branicio Paulo S.
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 13 Issue: 43 Pages: 10230-10236

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c02448

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  • [Journal Article] Defect-free and crystallinity-preserving ductile deformation in semiconducting Ag2S2022

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      Misawa Masaaki、Hokyo Hinata、Fukushima Shogo、Shimamura Kohei、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 19458-19458

    • DOI

      10.1038/s41598-022-24004-z

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  • [Journal Article] Squishing Skyrmions: Symmetry-Guided Dynamic Transformation of Polar Topologies Under Compression2022

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      Linker Thomas、Nomura Ken-ichi、Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 13 Issue: 48 Pages: 11335-11345

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c03029

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    • Author(s)
      Linker Thomas、Nomura Ken-ichi、Aditya Anikeya、Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Rajak Pankaj、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Issue: 12

    • DOI

      10.1126/sciadv.abk2625

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  • [Journal Article] Thermal conductivity calculation based on Green-Kubo formula using ANN potential for β-Ag2Se2022

    • Author(s)
      Takeshita Yusuke、Shimamura Kohei、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of Physics and Chemistry of Solids

      Volume: 163 Pages: 110580-110580

    • DOI

      10.1016/j.jpcs.2022.110580

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  • [Journal Article] Reproduction of Melting and Crystallization of Sodium by Machine-Learning Interatomic Potential Based on Artificial Neural Networks2021

    • Author(s)
      Irie Ayu、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Issue: 9 Pages: 094603-094603

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.094603

    • NAID

      210000159250

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Neural Network Quantum Molecular Dynamics, Intermediate Range Order in GeSe2, and Neutron Scattering Experiments2021

    • Author(s)
      Rajak Pankaj、Baradwaj Nitish、Nomura Ken-ichi、Krishnamoorthy Aravind、Rino Jose P.、Shimamura Kohei、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 12 Issue: 25 Pages: 6020-6028

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c01272

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Estimating thermal conductivity of α-Ag2Se using ANN potential with Chebyshev descriptor2021

    • Author(s)
      Shimamura Kohei、Takeshita Yusuke、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 778 Pages: 138748-138748

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2021.138748

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  • [Presentation] Photo-Induced Phase Transition of Diamond-A Nonadiabatic Quantum Molecular Dynamics Study2022

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      Shogo Fukushima, Rajiv K. Kalia, Thomas Linker, Ken-ichi Nomura, Aiichiro Nakano, Kohei Shimamura, Fuyuki Shimojo, Priya Vashishta
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      2022 MRS Spring Meeting
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  • [Presentation] Calculation of Helmholtz Free Energy of Alkali Metal Using Interatomic Potentials Based on Artificial Neural Network2022

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      Shogo Fukushima, Kohei Shimamura, Akihide Koura, Fuyuki Shimojo
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      Shogo Fukushima, Aiichiro Nakano, Rajiv K Kalia, Priya Vashishta, Fuyuki Shimojo, Hiroyuki Kumazoe, Masaaki Misawa, Kohei Shimamura, and Akihide Koura
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      APS March Meeting 2022
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  • [Presentation] Photo-Induced Phase Transition of Diamond-A Nonadiabatic Quantum Molecular Dynamics Study2022

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      Shogo Fukushima, Rajiv Kalia, Thomas Linker, Ken-ichi Nomura, Aiichiro Nakano, Kohei Shimamura, Fuyuki Shimojo, Priya Vashishta
    • Organizer
      2022 MRS Spring Meeting
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  • [Presentation] 人工ニューラルネットワークに基づいた原子間ポテンシャルによるAg2S1-xSexの構造の再現2021

    • Author(s)
      福島省吾, 法橋陽, 竹下雄輔, 島村孝平, 高良明英, 下條冬樹, Aiichiro Nakano, Rajiv K. Kalia, Priya Vashishta
    • Organizer
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    • Author(s)
      福島省吾, 熊添博之, Subodh Tiwari, 島村孝平, 高良明英, 下條冬樹, Aiichiro Nakano, Rajiv K. Kalia, Priya Vashishta
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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