機械的刺激に応答する光・電子機能π造形分子システムの理論設計

• Project Area: pi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions
• Project/Area Number: 15H01006
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 河東田 道夫 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究機構, 特別研究員 (60390671)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2015: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 化学物理 / 超分子化学 / ナノ材料 / 高分子構造・物性 / 有機π電子系化合物 / 有機半導体 / 有機発光材料 / 計算化学シミュレーション / 電子状態計算 / 分子動力学シミュレーション / 超分子化合物 / 高次フラーレン / 有機薄膜太陽電池

Outline of Annual Research Achievements

平成28年度には、平成27年度からの継続の課題として、(1) p型有機分子半導体であるジナフトチエノチオフェン(DNTT)結晶へ印加する圧力を変化させた際に発現する特異的なホール移動度変化機構解明のための理論的研究を行った。本年度には現象の発現機構の理解を目的として第一原理電子状態計算とホール移動度計算を進めた結果、0.3GPa以上面内圧縮方向に圧力を印加した際に構造(格子定数)が大きく変化した準安定構造を発見した。この変化した構造対してバンド構造とホール移動度の計算結果を検討した所、先行研究にて報告されている圧力の大きさに依存した異方的な結晶構造変化を示唆する結果が得られた。
さらに、(2)オリゴ(p-フェニレンビニレン)誘導体に機械的刺激を与えた際のメカノクロミズム特性の理論的研究も行った。本研究では、分子集合体の準安定状態の構造探索とエネルギー解析計算を分子動力学シミュレーションと第一原理電子状態計算により行い、準安定状態の構造モデルの探索を行った。分子動力学シミュレーションよりいくつかの準安定状態の候補構造が得られたが、それぞれの構造構造に対して第一原理電子状態計算で得られた吸収スペクトルは実験で報告されている吸収スペクトル変化の傾向を再現には至らなかった。
また、(1)(2)の研究として並行した領域内共同研究として、(3)カルバゾールデンドリマー(G3TAZ)の溶液内での自己組織化集合過程の分子動力学シミュレーションによる研究を実施した。シミュレーションより溶媒分子の混合比を変えたモデル内で異なる集合体構造となる結果が得られ、実験で報告されている溶媒・溶質の条件の違いに伴って異なる自己組織化構造が形成される事実を説明できる結果が得られた。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] シドニー大学(オーストラリア)
• [Journal Article] MPI/OpenMP Hybrid Parallel Algorithm for Resolution of Identity Second-Order Moller-Plesset Perturbation Calculation of Analytical Energy Gradient for Massively Parallel Multicore Supercomputer (2017)
  • Author(s): Michio Katouda, Takahito Nakajima
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 38 Issue: 8 Pages: 489-507
  • DOI: 10.1002/jcc.24701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Charge Dynamics at Heterojunction between Face-on/Edge-on PCPDTBT and PCBM Bilayer: Interplay of Donor/Acceptor Distance and Local Charge Carrier Mobility (2016)
  • Author(s): Yoshiki Shimata, Marina Ide, Motomichi Tashiro, Michio Katouda, Yutaka Imamura, Akinori Saeki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 120 Issue: 32 Pages: 17887-17897
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b04827
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Series of Layered Assemblies of Hydrogen-Bonded, Hexagonal Networks of C3-Symmetric π-Conjugated Molecules: A Potential Motif of Porous Organic Materials (2016)
  • Author(s): I. Hisaki, S. Nakagawa, N. Ikenaka, Y. Imamura, M. Katouda, M. Tashiro, H. Tsuchida, T. Ogoshi, H. Sato, N. Tohnai, M. Miyata
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society Volume: 印刷中 Issue: 20 Pages: 6617-6628
  • DOI: 10.1021/jacs.6b02968
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] From C60 to Infinity: Large-Scale Quantum Chemistry Calculations of the Heats of Formation of Higher Fullerenes (2016)
  • Author(s): B. Chan, Y. Kawashima, M. Katouda, T. Nakajima, K. Hirao
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 138 Issue: 4 Pages: 1420-1429
  • DOI: 10.1021/jacs.5b12518
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 計算科学を用いた有機薄膜太陽電池の新規材料の探索 (2017)
  • Author(s): 今村穣，田代基慶，河東田道夫，波田雅彦
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応大学日吉キャンパス, 横浜
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] カルバゾールデンドリマー分子集合体形成過程の分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 河東田道夫，田代基慶，今村穣，中嶋紗英，山本洋平，アルブレヒト建，山元公寿
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応大学日吉キャンパス, 横浜
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 有機薄膜太陽電池における新規ドナー材料の理論的探索 (2017)
  • Author(s): 今村穣, 田代基慶, 河東田道夫, 波田雅彦
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Massively parallel and multi-GPU implementation of RI-MP2 energy calculations (2017)
  • Author(s): Michio Katouda, Akira Naruse, Yukihiko Hirano, Takahito Nakajima
  • Organizer: 7th AICS International Symposium
  • Place of Presentation: RIKEN Advanced Institute for Computational Science, Kobe, Japan
  • Year and Date: 2017-02-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical Investigation of Charge Separation and Recombination in PCBM/PCPDTBT Interface (2017)
  • Author(s): Motomichi Tashiro, Michio Katouda, Yutaka Imamura
  • Organizer: AP-HOPV17
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • Year and Date: 2017-02-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multinode and multi GPU implementation of RI-MP2 calculation on NTChem for massively parallel GPU computing (2017)
  • Author(s): Michio Katouda
  • Organizer: 3rd ADAC workshop
  • Place of Presentation: Kashiwa Campus, The University of Tokyo, Kashiwa, Japan
  • Year and Date: 2017-01-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RI-MP2法のマルチGPU超並列実装とTSUBAMEを用いた大規模ナノ炭素分子の電子状態計算 (2016)
  • Author(s): 河東田道夫
  • Organizer: GTC Japan 2016
  • Place of Presentation: ヒルトン東京お台場, 東京
  • Year and Date: 2016-10-06
  • Invited
• [Presentation] Massively parallel implantation of one-component and two-component relativistic electronic structure theories in NTChem software (2016)
  • Author(s): Michio Katouda
  • Organizer: RMET2016
  • Place of Presentation: Ookayama campus, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-09-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 配向制御したドナー・アクセプター界面での電荷分離・再結合 (2016)
  • Author(s): 嶋田 佳幾, 井出 茉里奈, 田代 基慶, 河東田 道夫, 今村 穣, 佐伯 昭紀
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ, 新潟
  • Year and Date: 2016-09-16
• [Presentation] PCBM/PCPDTBT 界面における電荷分離・再結合過程に関する理論計算による検討 (2016)
  • Author(s): 田代基慶, 河東田道夫, 今村穣
  • Organizer: 第19回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 早稲田大学西早稲田キャンパス, 東京
  • Year and Date: 2016-05-23
• [Presentation] 二成分相対論的時間依存密度汎関数理論に基づく励起状態超並列計算プログラムの開発 (2016)
  • Author(s): 河東田道夫，中嶋隆人
  • Organizer: 第19回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 早稲田大学西早稲田キャンパス, 東京
  • Year and Date: 2016-05-23
• [Presentation] Parallel computing with NTChem software for petascale supercomputing and toward exascale supercomputing (2015)
  • Author(s): M. Katouda, T. Nakajima
  • Organizer: Pacifichem2015
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 次世代有機太陽電池に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 今村穣, 松井亨, 神谷宗明, 菅野翔平, 尾坂格, 瀧宮和男, 中嶋隆人, 波田雅彦
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都, 目黒区
  • Year and Date: 2015-09-18
• [Presentation] 有機薄膜太陽電池に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 田代基慶, 今村穣, 河東田道夫, 中嶋隆人
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都, 目黒区
  • Year and Date: 2015-09-18
• [Presentation] 大規模時間密度汎関数理論計算のためのMPI/OpenMPハイブリッド並列プログラムの開発 (2015)
  • Author(s): 河東田道夫, 中嶋隆人
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都, 目黒区
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] ドナー・アクセプター型ポリマーの軌道準位の決定法 (2015)
  • Author(s): 松井亨, 今村穣, 尾坂格, 瀧宮和男, 中嶋隆人
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス, 東京都, 目黒区
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 第一原理密度行列繰り込み群法と大規模並列アルゴリズムの研究開発 (2015)
  • Author(s): 曽田繁利, 今村穣, 柚木清司
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス, 大阪府, 吹田市
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 有機薄膜太陽電池に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 今村穣, 松井亨, 尾坂格, 瀧宮和男, 中嶋隆人
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場, 愛知県, 名古屋市
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] Massively parallel RI-MP2 geometry optimization calculations on K computer (2015)
  • Author(s): M. Katouda, T. Nakajima
  • Organizer: ICQC 2015 satellite symposium "Novel computational methods for quantitative electronic structure calculations"
  • Place of Presentation: 神戸大学先統合研究拠点, 兵庫県, 神戸市
  • Year and Date: 2015-06-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超並列計算分子科学シミュレーションを駆使したπ造形科学に向けて (2015)
  • Author(s): 河東田道夫
  • Organizer: 新学術領域研究「π造形科学」第2回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪市中央公会堂, 大阪府, 大阪市
  • Year and Date: 2015-06-08
  • Invited
• [Presentation] ペタフロップス級スーパーコンピュータに適したRI-MP2エネルギー超並列計算アルゴリズム (2015)
  • Author(s): 河東田道夫, 中嶋隆人
  • Organizer: 第18回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス, 大阪府, 豊中市
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Presentation] 有機薄膜太陽電池に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 田代基慶, 今村穣, 河東田道夫, 中嶋隆人
  • Organizer: 第18回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス, 大阪府, 豊中市
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Remarks] Bridging the gap between buckyballs and graphene
  • URL: http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/8194/
• [Remarks] 「京」の力で見えてくること（π造形科学ニュースレター Vol. 13）
  • URL: http://pi-figuration.jp/nl/nl_13.pdf
• [Remarks] スーパーコンピュータでフラーレンの性質を探る －世界最大規模の電子状態計算で生成熱の正しい値を予測－
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160316_1/