Investigation of thermal and optical properties of perovskite materials by advanced phonon calculations
| Project/Area Number |
21K03424
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
只野 央将 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (90760653)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | フォノン / 密度汎関数法 / 非調和効果 / 構造相転移 / 誘電率 / 高次フォノン散乱 / 第一原理計算 / フォノン計算 / ペロブスカイト / 光学特性 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、格子振動の非調和性を従来法よりも精密に取り込める先進フォノン計算手法を新たに開発し、それを用いてハライドペロブスカイトおよび酸化物ペロブスカイトの熱伝導・構造相転移温度、バンドギャップの温度変化などの熱・光学物性を非経験的かつ高精度に予測することを目指す。また、これらのペロブスカイトで見られる特異な熱・光学物性の起源を第一原理的に解明する。本課題を通して、ペロブスカイト型構造だけでなく任意の非調和な系へ適用可能な熱・光学物性予測のスキームを確立し、従来の第一原理計算手法の限界を突破する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に開発したSCP+B法 (自己無撞着フォノン(SCP)理論にバブルダイアグラム補正を考慮する方法）をさらに高精度化するべく、バブルダイアグラムの自己無撞着な取り扱いを中心に理論・数値的な検討を進めた。バブルダイアグラムを自己無撞着に考慮するためには、有限の線幅を持つフォノングリーン関数を入力とする必要がある。そこで、立方晶CsPbBr3を対象に、グリーン関数の線幅に対するバブル自己エネルギーの依存性を検証した。その結果、グリーン関数の線幅を大きくするにつれてバブル自己エネルギーによる振動数シフトが小さくなることが明らかになった。この結果から、グリーン関数の線幅についても、ゼロではなくフォノン準粒子スペクトルにおける線幅と整合するように決定する重要性が定量的に示された。
以上の理論的検討に加え、SCP理論に基づく有限温度での構造最適化手法の開発も進めた。ある結晶構造におけるヘルムホルツ自由エネルギーをSCP法で計算するためには、その結晶構造における調和・非調和原子間力定数(IFC)を密度汎関数理論に基づいて決定する必要がある。したがって、有限温度で結晶構造が変化する状況ではIFCの計算コストが大幅に増大してしまうという問題があった。これを解決するため、IFCを各構造において計算するのではなく、ある構造で決めたIFCから別の少し異なる結晶構造におけるIFCを補間する方法を考案し、計算コードの実装を行った。提案手法をBaTiO3を用いて精度検証を行い、 IFC補間の精度が概ね十分である事を確認した。また、開発した構造最適化手法を用いることでBaTiO3の逐次相転移を再現することに成功した。
さらにルチル型構造のTiO2に対してr2SCAN汎関数とSCP+B法を組み合わせた非調和フォノン計算を行い、複素誘電率の振動数依存性を高い精度で再現することにも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
バブルダイアグラムを完全な形で自己無撞着に取り扱う計算は未だに実行できないないが、着実に進展しつつある。より広範なペロブスカイト材料に対する網羅的な非調和フォノン計算についても進行しているが、成果発表するには至っていない。一方、当初予定には無かった有限温度での結晶構造最適化法開発やTiO2の複素誘電率予測など、SCP法に関連して幅広い成果が得られた。これらを総合的に判断して、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り、非調和フォノン計算手法の精度改良を継続して実施する。提案手法の精度を検証する際の参照データとして、分子動力学法で計算したフォノンスペクトルを利用する予定である。そのために、CsPbBr3などのハライドペロブスカイトを対象に、機械学習ポテンシャルの構築も実施する。
また、ペロブスカイト型材料に対する網羅的な非調和フォノン計算と電子格子相互作用を考慮したバンドギャップの温度変化予測についても、当初の計画通り実施する。
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Report
(2 results)
Research Products
(20 results)
