第一原理量子応力場解析による磁性強誘電欠陥機能の解明

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 20H05190
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 格子欠陥 / 強誘電体 / 磁性 / マルチフィジックス特性 / 第一原理解析 / 量子力学応力

Outline of Research at the Start

本研究では、第一原理計算により、SrTiO3中の転位芯近傍における磁性と強誘電特性の発現の有無を評価し、電子状態を解析することでその発現機構を原子・電子レベルから解明することを目的とする。さらに、局所的な量子力学応力を解析する手法を開発し、これを用いて転位芯近傍の力学場解析を実施し、発現する磁性・強誘電特性とミクロな応力場との関連性(マルチフィジックス原理)を検討する。

Outline of Annual Research Achievements

欠陥部では、完全結晶とは異なり欠陥固有の原子構造とそれによる電子状態により、固有の力学場（応力場）が生じている。この欠陥力学場を抽出するため、本年度は、応力を電子的自由度まで拡張し、個々の電子（軌道）が受け持つ応力を分解する独自理論（量子応力場）を構築した。LCAO法をもとに波動関数を展開し、エネルギーを原子軌道ごとに分解する理論を構築した。さらに、得られるエネルギーをひずみで微分することで、原子軌道ごとに応力成分を分解するための定式化に成功した。
上記で開発した量子応力場理論とその定式化をもとに、現有の第一原理解析プログラムに量子応力場解析機能を実装した。さらに、このプログラムを科学技術並列計算機に実装し、並列解析環境で効率的に計算が実施できるよう環境整備を行った。まず、量子応力場理論の妥当性を検証するため、原子鎖や単結晶などの比較的単純なシステムに本手法を適用した。その結果、量子応力場は、化学結合論的な安定性と良い相関があることが判明し、提案理論の妥当性・有効性が実証された。さらに、この技術を用いて、欠陥周囲の力学場とそれに伴う結合電子状態、それに対応する個々の電子応力を解析した。本手法は、原子の欠損をともなう格子欠陥だけでなく、電子レベルの欠陥（正孔によるポーラロン）が作る応力場までも解析できることを示した。今後は、本手法により得られる欠陥の量子応力場によって、欠陥機能発現の電子論・力学論的メカニズムの解明が進むことが期待できる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 浙江大学/中国科学院(中国)
• [Int'l Joint Research] ハノイ工科大学(ベトナム)
• [Int'l Joint Research] 浙江大学/上海大学(中国)
• [Int'l Joint Research] ハノイ工科大学(ベトナム)
• [Journal Article] Ultrasmall-Scale Brittle Fracture Initiated from a Dislocation in SrTiO₃ (2022)
  • Author(s): Sumigawa Takashi、Shimada Takahiro、Huang Kai、Mizuno Yuki、Hagiwara Yohei、Ozaki Naoki、Kitamura Takayuki
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 5 Pages: 2077-2084
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ferroelectric nanoscale logic gates by mixed dislocations in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>SrTiO</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> (2021)
  • Author(s): Masuda Kairi、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 5 Pages: 054104-054104
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.054104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrocaloric effect enhancement in compositionally graded ferroelectric thin films driven by needle to vortex domain structure transition (2021)
  • Author(s): Le Van Lich, Xu Hou, Manh-Huong Phan, Tinh Quoc Bui, Jie Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, and Van-Hai Dinh
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 54 Issue: 25 Pages: 255307-255307
  • DOI: 10.1088/1361-6463/abf0ed
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The rectilinear motion of the individual asymmetrical skyrmion driven by temperature gradients (2021)
  • Author(s): Wang Yu、Shimada Takahiro、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 221 Pages: 117383-117383
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117383
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Linear-superelastic Ti-Nb nanocomposite alloys with ultralow modulus via high-throughput phase-field design and machine learning (2021)
  • Author(s): Zhu Yuquan、Xu Tao、Wei Qinghua、Mai Jiawei、Yang Hongxin、Zhang Huiran、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Zhang Tong-Yi
  • Journal Title: npj Computational Materials Volume: 7 Issue: 1 Pages: 205-205
  • DOI: 10.1038/s41524-021-00674-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emergence of non-trivial polar topologies hidden in singular stress field in SrTiO₃: topological strain-field engineering (2021)
  • Author(s): Shimada Takahiro、Wang Yu、Hamaguchi Takayuki、Kasai Kohta、Masuda Kairi、Van Lich Le、Xu Tao、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 33 Issue: 50 Pages: 505301-505301
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ac28c1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Abnormal Electromechanical Property of Nonlinearly Graded Lead‐Free Ferroelectric Thin Films (2021)
  • Author(s): Lich Le Van、Bui Tinh Quoc、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Hong Hue Dang Thi、Nguyen Trong‐Giang、Dinh Van‐Hai
  • Journal Title: Advanced Theory and Simulations Volume: 5 Issue: 2 Pages: 2100370-2100370
  • DOI: 10.1002/adts.202100370
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Flexoelectric properties of multilayer two-dimensional material MoS₂ (2021)
  • Author(s): Hirakata Hiroyuki、Fukuda Yasuyuki、Shimada Takahiro
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 55 Issue: 12 Pages: 125302-125302
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ac4367
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamical topology in ferroelectric nanostructures by 1/2 [1-10] (110) dislocations in SrTiO3 (2021)
  • Author(s): Kairi Masuda, Takahiro Shimada, and Takayuki Kitamura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 5 Pages: 054114-054114
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.054114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prediction of tunable magnetoelectric properties in compositionally graded ferroelectric/ferromagnetic laminated nanocomposites (2021)
  • Author(s): Minh-Tien Ie, Le Van Lich, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, Trong-Giang Nguyen, and Van-Hai Dinh
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 118 Issue: 5 Pages: 052905-052905
  • DOI: 10.1063/5.0041703
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ferroic dislocations in paraelectric SrTiO3 (2021)
  • Author(s): Takahiro Shimada, Kairi Masuda, Youhei Hagiwara, Naoki Ozaki, Tao Xu, Jie Wang, and Takayuki Kitamura
  • Journal Title: Physical Review B (Letter) Volume: 103 Issue: 6 Pages: 054114-054114
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l060101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Defects engineering for non-trivial multiferroic orders in SrTiO3 (2020)
  • Author(s): Tao Xu, Takahiro Shimada, Masataka Mori, Jie Wang, and Takayuki Kitamura
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 4 Issue: 12 Pages: 124405-124405
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.124405
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancement of electromechanical properties in (0-3) lead-free ferroelectric heterostructures with multiphase coexistence (2020)
  • Author(s): Le Van Lich, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, Tinh Quoc Bui, and Van-Hai Dinh
  • Journal Title: Composites Communications Volume: 22 Pages: 100540-100540
  • DOI: 10.1016/j.coco.2020.100540
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ferroelectric critical size of SnTe nanoribbon and its mechanical strain engineering (2020)
  • Author(s): 皆黒 幸一朗，嶋田 隆広，益田 快理，北村 隆行
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 86 Issue: 887 Pages: 19-00430-19-00430
  • DOI: 10.1299/transjsme.19-00430
  • NAID: 130007879921
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-dimensional polar metal of PbTe monolayer by electrostatic doping (2020)
  • Author(s): Tao Xu, Jingtong Zhang, Yuquan Zhu, Jie Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, Tong-Yi Zhang
  • Journal Title: Nanoscale Horizons Volume: 5 Issue: 10 Pages: 1400-1406
  • DOI: 10.1039/d0nh00188k
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ferroelectric control of magnetic skyrmions in multiferroic heterostructures (2020)
  • Author(s): Yu Wang, Jiajun Sun, Takahiro Shimada, Hiroyuki Hirakata, Takayuki Kitamura, and Jie Wang
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 1 Pages: 014440-014440
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.014440
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ferrotoroidic polarons in antiferrodistortive SrTiO3 (2020)
  • Author(s): Takahiro Shimada, Yuuki Ichiki, Gen Fujimoto, Tao Xu, Jie Wang, and Hiroyuki Hirakata
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 21 Pages: 214101-214101
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.214101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ab initio study of ferroelectric critical size of SnTe low-dimensional nanostructures (2020)
  • Author(s): Takahiro Shimada*, Koichiro Minaguro, Tao Xu, Jie Wang, and Takayuki Kitamura
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 10 Issue: 4 Pages: 732-732
  • DOI: 10.3390/nano10040732
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-Situ TEM Observation of Nanodomain Mechanics in Barium Titanate under External Loads (2020)
  • Author(s): Takashi Sumigawa, Ken Hikasa, Akihiro Kusunose, Hiroki Unno, Kairi Masuda, Takahiro Shimada, and Takayuki Kitamura
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 4 Issue: 5 Pages: 054415-054415
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.054415
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電子応力概念の提案と第一原理電子応力解析法の開発 (2021)
  • Author(s): 藤田涼雅，坂口竣平，嶋田隆広，平方寛之
  • Organizer: 第6回マルチスケール材料力学シンポジウム
• [Presentation] 特異応力場による強誘電体内の高次トポロジカル秩序群の創出 (2021)
  • Author(s): 笠井恒汰，濱口高征，嶋田隆広，平方寛之
  • Organizer: 第6回マルチスケール材料力学シンポジウム
• [Presentation] SrTiO3表面の電子Polaronによる強誘電Skyrmionの創出とその力学的制御 (2021)
  • Author(s): 嶋田隆広，市木佑樹，平方寛之
  • Organizer: M&M2021材料力学カンファレンス
• [Presentation] 第一原理電子応力解析法の開発と結晶材料への適用 (2021)
  • Author(s): 藤田涼雅，坂口竣平，嶋田隆広，椎原良典，平方寛之
  • Organizer: M&M2021材料力学カンファレンス
• [Presentation] 第一原理電子軌道応力解析法の開発 (2021)
  • Author(s): 嶋田隆広，坂口竣平，藤田涼雅，椎原良典，平方寛之
  • Organizer: 第34回計算力学講演会
• [Presentation] 高次トポロジカルナノ強誘電体の創出：SrTiO3内き裂への負荷に関するPhase-field解析 (2021)
  • Author(s): 笠井恒汰，濱口高征，嶋田隆広，平方寛之
  • Organizer: 材料シンポジウム
• [Presentation] Quantum Polar Skyrmions/Merons in Doped SrTiO3 Heterostructures: A Topological Polaron (2021)
  • Author(s): Takahiro Shimada, Yuuki Ichiki, Tao Xu, Le Van Lich, Jie Wang, Hiroyuki Hirakata
  • Organizer: 2021 MRS Fall Meeting & Exhibits
• [Presentation] Phase-Field Simulations on Temperature-Related Behaviors of Skyrmions (2021)
  • Author(s): Yu Wang, Takahiro Shimada, Shizhe Wu, Yuelin Zhang, Jinxing Zhang, Jie Wang, Hiroyuki Hirakata
  • Organizer: 2021 MRS Fall Meeting & Exhibits
• [Remarks] 京都大学・材料物性学研究室
  • URL: https://material.me.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学・教育研究活動データベース
  • URL: https://kdb.iimc.kyoto-u.ac.jp/profile/ja.6bf4232c357d1db5.html
• [Remarks] 京都大学 教育研究活動データベース
  • URL: http://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/gT3rQ