Materials Exploration by Crystal Structure Prediction Using Particle Swarm Optimization and Evolutionary Algorithm

• Project Area: Discrete Geometric Analysis for Materials Design
• Project/Area Number: 18H04488
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 辻 雄太 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (80727074)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 粒子群最適化 / 進化論的アルゴリズム / ベイズ最適化 / エレクトライド / 結晶構造 / 粒子群最適化アルゴリズム / 第一原理計算 / データベース

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、粒子群最適化および進化論的アルゴリズムを利用した結晶構造予測による物質探索ということで情報科学的基盤を活用した物質探索を行った。主に、下記の３項目の課題に取り組んだ。（１）結晶予測法を用いたクラスター構造の生成と最適化（２）ベイズ最適化とデータベースを組み合わせた高仕事関数・低仕事関数物質の探索（３）データベースに基づいた新規エレクトライド物質の探索
それぞれの詳細は以下のとおりである。
（１）金属クラスターは様々な異性体構造を有するが、粒子群最適化および進化論的アルゴリズムを用いることで効率的に最安定構造を調べることが可能である。これを利用して、有機分子と金属クラスターとの最安定な吸着構造を効率的に探索する手法を確立した。
（２）仕事関数は表面科学において最も基礎的かつ重要なパラメータの１つであり、高仕事関数あるいは低仕事関数の材料を効率的に探索することは表面科学の発展において重要である。しかしながら、仕事関数を目的変数として効率的に最適化する手法は未だ確立されていない。本研究では、少ない観測回数で未知関数を最適化するベイズ的最適化と第一原理計算を組み合わせた手法を用い、効率的に仕事関数が低い材料および高い材料の取得する方法を確立した。
（３）近年、熱的に安定な無機のエレクトライドは触媒や電子デバイスの材料として期待されている。本研究ではデータベーススクリーニングと第一原理計算によってリチウムの14族化合物（リチウムテトレライド）であるLi17Tt4 (Tt = Si, Ge, Sn, Pb)が新規のエレクトライドであるということを明らかにした。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Zaragoza/Donostia International Physics Center(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Xiamen University(中国)
• [Int'l Joint Research] Vrije Universiteit Brussel(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] The Hebrew University(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Cornell University(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Strathclyde(英国)
• [Int'l Joint Research] Cornell University/MIT-IBM A.I. Lab(米国)
• [Int'l Joint Research] Vrije Universiteit Brussel(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] Carleton University(カナダ)
• [Journal Article] Understanding Single-Molecule Parallel Circuits on the Basis of Frontier Orbital Theory (2020)
  • Author(s): Okazawa Kazuki、Tsuji Yuta、Yoshizawa Kazunari
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 124 Issue: 5 Pages: 3322-3331
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b08595
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Study on the Electronic Structure of Heavy Alkali-Metal Suboxides (2020)
  • Author(s): Tsuji Yuta、Hori Mikiya、Yoshizawa Kazunari
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 2 Pages: 1340-1354
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b03046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lithium-Richest Phase of Lithium Tetrelides Li17Tt4 (Tt = Si, Ge, Sn, and Pb) as an Electride (2019)
  • Author(s): Tsuji Yuta、Hashimoto Wataru、Yoshizawa Kazunari
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 92 Issue: 7 Pages: 1154-1169
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190040
  • NAID: 130007679364
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of long-range interactions on quantum interference in molecular conduction. A tight-binding (Hueckel) approach (2019)
  • Author(s): Tsuji Yuta、Estrada Ernesto
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 150 Issue: 20 Pages: 204123-204123
  • DOI: 10.1063/1.5097330
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Methane Activation at the Metal-Support Interface of Ni4-CeO2(111) Catalyst: A Theoretical Study (2019)
  • Author(s): Singha Rajib Kumar、Tsuji Yuta、Mahyuddin Muhammad Haris、Yoshizawa Kazunari
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 123 Issue: 15 Pages: 9788-9798
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b11973
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cross Conjugation in Polyenes and Related Hydrocarbons: What Can Be Learned from Valence Bond Theory about Single-Molecule Conductance? (2019)
  • Author(s): Gu Junjing、Wu Wei、Stuyver Thijs、Danovich David、Hoffmann Roald、Tsuji Yuta、Shaik Sason
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 141 Issue: 14 Pages: 6030-6047
  • DOI: 10.1021/jacs.9b01420
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Adhesion of Epoxy Resin with Hexagonal Boron Nitride and Graphite (2019)
  • Author(s): Tsuji Yuta、Kitamura Yasuhiro、Someya Masao、Takano Toshihiko、Yaginuma Michio、Nakanishi Kohei、Yoshizawa Kazunari
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 4 Issue: 3 Pages: 4491-4504
  • DOI: 10.1021/acsomega.9b00129
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Theoretical Study on the Relation between the Frontier Orbital and the Conductance in Aromatic Single-Molecular Parallel Circuits (2019)
  • Author(s): OKAZAWA Kazuki、TSUJI Yuta、YOSHIZAWA Kazunari
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 18 Issue: 5 Pages: 227-229
  • DOI: 10.2477/jccj.2019-0038
  • NAID: 130007808009
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diradical Character as a Guiding Principle for the Insightful Design of Molecular Nanowires with an Increasing Conductance with Length (2018)
  • Author(s): Stuyver Thijs、Zeng Tao、Tsuji Yuta、Geerlings Paul、De Proft Frank
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 18 Issue: 11 Pages: 7298-7304
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03503
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum Interference, Graphs, Walks, and Polynomials (2018)
  • Author(s): Tsuji Yuta、Estrada Ernesto、Movassagh Ramis、Hoffmann Roald
  • Journal Title: Chemical Reviews Volume: 118 Issue: 10 Pages: 4887-4911
  • DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00733
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of electron-phonon coupling on quantum interference in polyenes (2018)
  • Author(s): Tsuji Yuta、Yoshizawa Kazunari
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 149 Issue: 13 Pages: 134115-134115
  • DOI: 10.1063/1.5048955
  • Peer Reviewed
• [Presentation] How to discover new electrides (2020)
  • Author(s): 辻 雄太、橋本航、堀幹矢、吉澤一成
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会2020
• [Presentation] 重アルカリ金属亜酸化物の電子状態に関する理論的研究 (2020)
  • Author(s): 堀幹矢、辻雄太、吉澤一成
  • Organizer: 日本化学会第100回春季年会
• [Presentation] ２成分合金表面によるメタン活性化の触媒インフォマティクス (2020)
  • Author(s): 吉田 将隆、斎藤 雅史、 蒲池高志 、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: ESICB触媒・電子論合同検討会
• [Presentation] Informatics study on Methane Activation on binary alloy (2020)
  • Author(s): 吉田 将隆、斎藤 雅史、 蒲池高志 、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 日本化学会第100回春季年会
• [Presentation] β-プラチナ酸化物表面上でのメタン活性化に関する理論的研究 (2020)
  • Author(s): 栗野 啓太、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 日本化学会第100回春季年会
• [Presentation] π共役系の導電経路と伝導度の関係に関する理論的研究 (2019)
  • Author(s): 岡澤 一樹、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第22回 理論化学討論会
• [Presentation] 単一分子スケールにおける電気伝導と導電経路の関係性 (2019)
  • Author(s): 岡澤 一樹、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 九重分子科学セミナー2019
• [Presentation] 金とエポキシ樹脂の界面における接着相互作用の理論的研究 (2019)
  • Author(s): 馬場太基、村田裕幸、辻雄太、鶴見直明、眞砂紀之、吉澤一成
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] フロンティア軌道論に基づいたπ共役系の伝導度と導電経路の関係性の解明 (2019)
  • Author(s): 岡澤 一樹、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] 単分子並列回路におけるフロンティア軌道と伝導度の関係 (2019)
  • Author(s): 岡澤 一樹、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2019 秋季年会
• [Presentation] フロンティア軌道論に基づく単分子並列回路の電気伝導の理論的研究 (2019)
  • Author(s): 岡澤 一樹、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第42回ケモインフォマティクス討論会
• [Presentation] リチウムテトレライドの電子状態に関する理論的研究 (2019)
  • Author(s): 辻雄太、橋本航、吉澤一成
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] リチウムテトレライドの電子状態 (2019)
  • Author(s): 辻雄太、橋本航、吉澤一成
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2019 秋季年会
• [Presentation] ルビジウム亜酸化物の電子状態に関する理論的研究 (2019)
  • Author(s): 堀幹矢、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第22回 理論化学討論会
• [Presentation] ルビジウム亜酸化物の理論的研究 (2019)
  • Author(s): 堀幹矢、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] 5d 遷移金属表面による触媒的窒素固定の理論的研究 (2019)
  • Author(s): 吉田 将隆、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第22回 理論化学討論会
• [Presentation] 遷移金属表面における触媒的窒素固定の反応機構解析 (2019)
  • Author(s): 吉田 将隆、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] ２成分合金表面によるメタン活性化制御の触媒インフォマティク ス (2019)
  • Author(s): 吉田 将隆、斎藤 雅史、 蒲池高志 、辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第42回ケモインフォマティクス討論会
• [Presentation] リチウムテトレライドの電子状態 (2019)
  • Author(s): 辻 雄太、橋本航、吉澤一成
  • Organizer: 統合物質機構 第５回国内シンポジウム
• [Presentation] 新規エレクトライド物質の探索 (2019)
  • Author(s): 辻 雄太、橋本航、吉澤一成
  • Organizer: 第13回 物性科学領域横断研究会
• [Presentation] Mathematical Approach for Molecular Conduction (2019)
  • Author(s): 辻 雄太、吉澤一成
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Adsorption and Activation of Methane on the (110) Surface of IrO2 (2019)
  • Author(s): 辻 雄太、吉澤一成
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規エレクトライド物質の探索 (2019)
  • Author(s): 辻 雄太
  • Organizer: 2019年度DV-Xα研究協会特別講演会
  • Invited
• [Presentation] Effects of Electron-Phonon Coupling on Quantum Interference in Polyenes (2019)
  • Author(s): 辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: IRCCS The 2nd International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 結晶構造予測法と第一原理計算に基づく物質探索 (2018)
  • Author(s): 辻 雄太
  • Organizer: 物質と情報科学セミナー（第１回）
  • Invited
• [Presentation] 酸化イリジウム表面でのメタンの CH 結合活性化についての理論的研究 (2018)
  • Author(s): 辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 第21回理論化学討論会
• [Presentation] Adsorption and Activation of Methane on Metal Oxide Surface (2018)
  • Author(s): 辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会2019
• [Presentation] "Activation of Methane on the Surface of Rutile-Type Metal Dioxides" (2018)
  • Author(s): 辻 雄太、吉澤 一成
  • Organizer: A Satellite Symposium to celebrate Prof. Kenichi Fukui's 100th birthday
  • Int'l Joint Research