2016 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ構造体の座屈変形を積極利用した革新的ナノデバイスの最適設計
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15H03888
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
梅野 宜崇 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (40314231)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島 弘幸 山梨大学, 総合研究部, 准教授 (40312392)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / 座屈 / 原子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、中空円筒ナノ構造の代表格であるカーボンナノチューブ（CNT）の軸方向圧縮座屈挙動の詳細を明らかにすることを目的として、分子動力学解析および原子構造不安定モード解析を行った。また、座屈変形に伴うＣＮＴ物性変化を明らかにするため、座屈前後のフォノン状態密度および電子状態計算（バンド構造解析）を行った。電子状態解析には密度汎関数法に基づく強結合近似法（Density Functional-Based Tight-Binding Method）を用いた。単層CNTの座屈挙動は径と長さの比（アスペクト比）によってオイラー型（S字型）、キンクを伴うZ字型およびフィン構造を伴うI字型座屈変形が確認された。これによって生じる電子のバンドギャップ変化は、CNTのカイラル指数と座屈に伴う応力解放によってよく説明されうることが分かった。また、カイラル型（らせん型）CNTでは、らせん状の構造不安定モードに起因する特有な座屈挙動が現れることが示された。
これに加え、多元系ナノ構造体であるPbTiO3等の強誘電体ナノ構造材料について、大規模計算を可能とするための電気双極子モデルによる原子間ポテンシャル構築に着手した。既存のポテンシャルとしてはシェルモデルによるものが広く知られているが、ナノワイヤに適用するとエッジ部の存在のため分子動力学計算が不安定化あるいは発散するという問題があった。この不具合を解消するなどポテンシャル構築は奏功しつつある。
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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
CNTの軸方向圧縮座屈のメカニズムを原子モデル解析、特に我々が提唱する原子構造不安定モード解析法を活用することで、詳細に明らかにすることに成功している。特に、カイラル型CNTにおける特異な座屈挙動を新たに発見するなど極めて興味深い知見が得られている。座屈変形に伴う物性変化についても、カイラル指数や座屈挙動によって様々なパターンが現れることが明らかになっており、新奇ナノデバイスの最適設計に向けた重要な知見が獲得されている。強誘電体等の多元系ナノ構造体についてのモデリング手法も確立しつつあり、研究はほぼ当初の計画通り順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
中空円筒ナノ構造の代表格である炭素系・窒化ホウ素系ナノチューブ材料の座屈メカニズムが明らかになりつつあるため、さらに詳細な不安定モード解析を実施してその全容を解明する。特に、カイラル型ナノチューブでは特異な構造不安定モードが発生することが分かりつつあり、これが座屈変形ならびに物性変化に及ぼす影響を詳細に検討する。また、シリセンなど他の原子種によって構成されるナノ構造体についても検討する。
強結合近似法（半経験的量子力学計算）による電子状態解析などにより、座屈に伴う機能性変化およびそのメカニズムの解明に引き続き取り組む。座屈変形後に荷重・ひずみを増大させた場合の挙動についても検討を行い、デバイス最適設計に指針を獲得する。
多元系ナノ構造体についても、PbTiO3, BaTiO3等の強誘電ナノ構造体を中心に取組み、ポテンシャル関数の最適化によるモデリング手法の確立、それを用いた構造・機能性不安定解析の実施へと発展される。
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