Ab initio molecular dynamics study of bonding nature of liquid semiconductors under ultrahigh pressure

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K17722
• Research Institution: Hiroshima Institute of Technology
• Principal Investigator: 大村 訓史 広島工業大学, 工学部, 准教授 (90729352)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 液体金属 / 液体半導体 / 密度汎関数法 / 第一原理計算 / 分子動力学法

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、第一原理分子動力学法に基づく計算機シミュレーションを用いて、液体金属ならびに液体半導体の高温高圧極限環境下における結合状態の変化を微視的な視点から明らかにした。前年度は、常圧で半導体的性質を示す液体ヒ素と、常圧で金属である液体ナトリウムについて研究を行い、最終年度である本年度は、常圧で分子性液体、圧力増加と共に半導体、金属と変化する液体硫黄について研究を行った。さらにこれらの研究で得られた知見を活かし、地球科学的に重要とされるシリケートメルト（玄武岩質メルト）と鉄ニッケル混合系メルトの高温高圧下における輸送特性に関する研究を行った。研究によって得られた主要な成果は以下の通りである。
1）典型的な液体金属である液体Naに対して、計算を行い、数百GPaという超高圧下において、異方的な構造が現れることが明らかとなった。通常の液体は加圧に従い構造は等方的な構造となっていくが、本研究によって、それら液体金属をさらに加圧すると異方的な構造が現れる可能性が示唆された。

2) 液体ヒ素や液体硫黄の計算によって、液体ヒ素の液体半導体から液体金属への変化、液体硫黄の分子性液体から液体半導体、液体金属への変化に関する微視的な描像が明らかとなった。本研究によって、分子性液体からネットワーク構造を持つ液体半導体への変化、さらにそれらネットワークが壊れて液体金属になるメカニズムを液体中の局所構造の相関という視点から明らかにした。

3）シリケートメルト並びに鉄ニッケル混合系メルトの計算によって、粘性や電子伝導度などの輸送特性の圧力依存性と原子間の結合状態の関係性を明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Femtosecond Charge and Molecular Dynamics of I-containing organic molecules Induced by Intense X-Ray Free-Electron Laser Pulses (2016)
  • Author(s): K. Nagaya, K. Motomura, E. Kukk, Y. Takahashi, K. Yamazaki, S. Ohmura, H. Fukuzawa, S. Wada, S. Mondal, T. Tachibana, Y. Ito, R. Koga, T. Sakai, K. Matsunami, K. Nakamura, M. Kanno, A. Rudenko, C. Nicolas, X.J. Liu, C. Miron, Y. Zhang, Y. Jiang, J. Chen, M. Anand, D.E. Kim, K. Tono, M. Yabashi, M. Yao, H. Kono, K. Ueda
  • Journal Title: Faraday discussion Volume: 194 Pages: 537-562
  • DOI: 10.1039/C6FD00085A
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ultrafast dynamics of a nucleobase analogue illuminated by a short intense x-ray free electron laser pulse (2016)
  • Author(s): K. Nagaya, K. Motomura, E. Kukk, H. Fukuzawa, S. Wada, T. Tachibana, Y. Ito, S. Mondal, T. Sakai, K. Matsunami, R. Koga, S. Ohmura, Y. Takahashi, M. Kanno, A. Rudenko, C. Nicolas, X.-J. Liu, Y. Zhang, J. Chen, A. Mailam, Y. H. Jiang, D.-E. Kim, K. Tono, M. Yabashi, H. Kono, C. Miron, M. Yao, K. Ueda
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 6 Pages: 021035-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.6.021035
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高圧下における液体鉄―ニッケル混合系の輸送特性 (2017)
  • Author(s): 大村訓史
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学, （大阪府、豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 高圧下における玄武岩メルトの粘性と局所構造 (2016)
  • Author(s): 大村訓史
  • Organizer: 日本物理学会2106年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、（石川県、金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 液体硫黄の圧力誘起構造変化の微視的機構 (2016)
  • Author(s): 大村訓史
  • Organizer: 日本物理学会2106年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、（石川県、金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 構造不規則系の原子ダイナミクス：第一原理分子動力学シミュレーション (2016)
  • Author(s): 大村訓史
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 広島大学、（広島県、東広島市）
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-09
  • Invited
• [Presentation] Photoexcited Charge Dynamics in Light-Harvesting Organic Molecules (2016)
  • Author(s): Satoshi Ohmura
  • Organizer: The 20th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering
  • Place of Presentation: Kasetsaet University, Thailand
  • Year and Date: 2016-07-27 – 2016-07-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Viscosity of Basaltic Melt under High Pressure: ab initio Molecular Dynamics Simulations (2016)
  • Author(s): Satoshi Ohmura
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会2016
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、（千葉県、千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26