2016 Fiscal Year Annual Research Report
第一原理シミュレーションによる活性サイトの構造・機能の解明とデザイン
| Project Area | 3D Active-Site Science |
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26105010
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
森川 良忠 大阪大学, 工学研究科, 教授 (80358184)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤木 和人 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (50313119)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 第一原理電子状態計算 / 密度汎関数法 / 表面・界面 / 反応 / 触媒 / 磁性半導体 / ホログラム / オーダーN |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究グループでは、高精度で高効率な第一原理電子状態計算手法とプログラムを開発しつつ、ナノ触媒や半導体デバイス、酸化物などの具体的な物質の研究を行っている。平成28年度の研究について以下のような成果があった。1) ZnSnAs2ベーススピントロニクスマテリアルデザインに関して、ZnサイトにV, Cr, Mn, Fe, Co, Niと3d遷移金属をドープすることでそのキュリー温度を見積もった。その結果、ZnサイトにV, Crをドープした系において強磁性状態が安定である事がわかった。 2)グラフェン担持Ptクラスター触媒の構造と反応性に関しては、格子空孔上におけるPt4クラスターの吸着構造を調べたところ、格子空孔のサイズとともにPtクラスターの吸着エネルギーが増大することが分かった。さらに各吸着構造においてCO吸着エネルギーを調べると、空孔に近いPt原子上ほどCO吸着が弱まる傾向が現れた。 3) グラフェン表面におけるナフタレン分子層の吸着構造と表面状態に関しては、van der Waals密度汎関数法によりナフタレンの吸着構造を決定し、バンド構造の詳細な解析から、グラフェンのIPSに加えてナフタレン分子層にも同様のIPSが出現し、これらの混成により吸着系のIPSが形成されることを指摘した。 4) RhドープしたSrTiO3の浅いアクセプタ準位の起源解明に関しては、VOとは共存するが隣接しないRh（6配位）は3価の状態を取り浅いアクセプタ準位には寄与しない一方、VOと隣接するRh（5配位）は1～3価の状態を取り、特に3価の状態を取った場合に浅いアクセプタ準位を生成することが分かった。 そのほか、5)Ｘ線損傷の計算機シミュレーション, 6)蛍光X線ホログラムの幾何学的画像解析, 7)第一原理オーダーN法プログラムCONQUESTへの自由エネルギー計算手法の組み込みなどを行った。
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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
平成２６、２７年度は主として課題１と課題２を中心に計画を進め、平成２８年度からは課題３についても取り組みを開始した。ほぼ計画通りに進んできている。【課題１】自己無撞着なvdW-DF法に関しては、様々な系に適用し各vdW汎関数の挙動を詳細に調べることができたので、当初の目的・計画は概ね達成できたと考えられる。(2)メタ・ダイナミクス法の実装と界面反応への適用も行い、複雑な固液界面の反応への適用に成功した。(3) 蛍光X線ホログラフィー法における像再生をトポロジカルデータ解析と機械学習を組み合わせた数理的手法の適用も進めている(松下Gとの連携)。【課題２】一部、予想以上に進展しているものもある。特に、(1)グラフェン担持Ptクラスターに関しては、格子欠陥がPtクラスターの電子状態に強く影響することが明らかとなった。また、欠陥由来の担体効果が触媒反応を促進することが示すために、欠陥に吸着したPt原子のCO吸着エネルギーと反応性に関する研究を開始した。(2)Mn:ZnSnAs2における室温強磁性については、新学術領域発足後にあらたに連携研究テーマとして開始するなど、当初予定していなかった進展も見られる(福村Gとの連携)。(3) RhドープSrTiO3に関しては、ドープされたRh3+とRh4+のギャップ中準位を同定し、Rh3+が触媒活性に寄与していることを明らかにした。(4)生体材料のX線ホログラム測定の際の損傷に対する対処方法を見つける指針を与えることを目的として、X線による試料の照射損傷をシミュレートする簡便手法の開発を行った。【課題３】 ZnSnAs2ベーススピントロニクス材料に関して、SnサイトにMnを選択的に、ZnサイトにはV, Crを選択的にドープすることによって室温以上のキュリー温度を保つ磁性半導体ができることを理論的に予測しており、実験家にその実証を依頼している。
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| Strategy for Future Research Activity |
各研究者がそれぞれの課題に取り組み、理論的に予測した構造を手法班A02の各グループに提案し、実証実験を依頼する。それらの持つ機能を理論的に予測する。構造と機能を支配する要因を明らかにし、その知見に基づき、試料班A01各グループ、応用班A04筒井Gと共同でより良い材料・デバイスを設計する指針を与えることを目指す。
今後の研究計画としては、【課題１】平成29年度、30年度中には (1)高精度自己無撞着vdW-DF汎関数法と(2)有効クラスター相互作用を用いたモンテカルロシミュレーション作成、(3)大規模オーダーN電子状態計算プログラムCONQUESTに自由エネルギー計算手法の導入、などに関してテスト計算をほぼ終了する予定。【課題２】(1)グラフェン担持Ptクラスターに関しては、平成29年度以降は、格子空孔およびグラフェンフレークのエッジに担持したPtクラスター上における触媒反応の理論解析を行う。反応障壁を求めることで、CO被毒耐性の高いPtクラスター構造が同時に高い触媒活性を示すかを明らかにする。さらに安定かつCO被毒耐性の高い平坦クラスター構造の探索も行う。(2) La(Fe, Pd)03系に関しては、モンテカルロシミュレーションにより、貴金属や酸素空孔の凝集・分散傾向を調べる。(3)内富Gとの連携で強磁性転移温度について、モンテカルロシミュレーションによりより精度よくキュリー温度を見積もり、両者を突き合わせていく。また、希薄磁性半導体の強磁性メカニズムとして提案されているスピノーダル分解の効果も議論していく。【課題３】(1)Pt以外で特に埋蔵量の多い金属元素のクラスターについてグラフェンの担体効果の研究に着手する。
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[Journal Article] The adsorption of CO2 on graphene: A combined TPD, XPS, vdW-DF study2017
Author(s)
K. Takeuchi, S. Yamamoto, Y. Hamamoto, Y. Shiozawa, K. Tashima, H. Fukidome, T. Koitaya, K. Mukai, S. Yoshimoto, M. Suemitsu, Y. Morikawa, J. Yoshinobu, and I. Matsuda
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Journal Title
J. Phys. Chem. C
Volume: 121
Pages: 2807-2814
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Photoelectron Holographic Atomic Arrangement Imaging of Cleaved Bimetal-intercalated Graphite Superconductor Surface2016
Author(s)
F. Matsui, R. Eguchi, S. Nishiyama, M. Izumi, E. Uesugi, H. Goto, T. Matsushita, K. Sugita, H. Daimon, Y. Hamamoto, I. Hamada, Y. Morikawa, and Y. Kubozono
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Journal Title
Scientific Report
Volume: 6
Pages: 36258-1-10
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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