2016 Fiscal Year Research-status Report
大規模第一原理シミュレーションによるナノ構造体における非断熱・非平衡現象の解明
| Project/Area Number |
16K05478
|
|---|
| Research Institution | Kumamoto University |
|---|
Principal Investigator |
下條 冬樹 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (60253027)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高良 明英 熊本大学, 事務局, 教室系技術職員 (70537092)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 計算物理 / ナノ組織化 / 構造不規則系 / 非断熱過程 / 第一原理計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ組織化した触媒や電極におけるイオンと電子の絡む複雑な反応過程を理解することを目的として研究を実施している。まず、有機色素増感太陽電池電極におけるキャリア輸送に注目した。非断熱第一原理分子動力学計算を行い、有機分子で励起された励起子の空間分布の時間発展を求め、酸化チタン基板への電荷輸送の効率を調べた。その結果、酸化物基板と増感色素との結合付近に電荷密度を高めるような官能基が存在すると電荷輸送が妨げられることを見いだした。有機色素増感太陽電池電極を設計する上で有益な知見である。
層状構造を有する金属硫化物の実験を行う研究グループから、硫化モリブデンをレーザー励起すると層間距離が一旦減少した後で体積膨張することが報告された。非断熱第一原理分子動力学計算を行い、励起密度と層間距離の時間依存性の関係を調べたところ、励起密度が小さいときは層間距離はすぐに広がるのに対し、励起密度が大きくなると層間距離は一旦減少しその後広がることが分かった。これは、励起密度が大きいときは励起電子が層間に存在するようになり、正に帯電した硫化モリブデン層を引き付けるためである。
酸化物基板とイオウ分子の反応過程を調べることは、電極などにも用いられる金属硫化物の生成機構を考える上で重要である。第一原理分子動力学法に基づき、酸化モリブデン表面における硫黄分子の反応過程を調査した。その結果、八員環分子よりもダイマーの方が反応性が高いこと、表面に酸素欠陥が存在すると低いエネルギー障壁で反応が起こること等を明らかにした。
その他に、リチウムイオン電池の酸化鉄電極における反応機構、酸化チタン基板と酸素分子の反応機構、シリカの高圧相であるスティショバイトの引張応力誘起アモルファス化機構等の解明のための研究にも着手した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
各研究テーマに対して第一原理計算を実行し、その結果から多くの知見を得ており、研究進捗状況は概ね順調である。有機分子で修飾された酸化チタン基板上での励起子移動を再現し電荷輸送の効率を評価できた。層状硫化モリブデンの電子励起状態の時間発展を追跡し実験結果の説明に成功した。酸化モリブデンとイオウ分子の反応過程においては反応のエネルギー障壁を評価できたが、具体的な反応機構の解明には至っていないため今後の課題である。リチウムイオン電池の酸化鉄電極、酸化チタン基板上での分子反応、スティショバイトの引張応力誘起アモルファス化に関しては実験グループと共同で研究を開始し、研究成果を得る見通しがついたところである。
|
| Strategy for Future Research Activity |
有機色素増感太陽電池電極及び層状硫化モリブデンの電子励起に関する計算と解析は終えており、今後論文を投稿する。酸化物基板とイオウ分子の反応過程については反応経路を特定するための自由エネルギー計算等を追加で実行する。また、リチウムイオン電池負極材をモデル化した金属酸化物ナノ粒子を用いてLiイオンの充電・放電反応の計算を行う予定である。次に、酸化チタン基板上に複数の酸素分子を導入して高温での計算を行い、反応経路とエネルギー障壁を評価する。更に、スティショバイトのバルク結晶に対しては引張応力下における計算を実行し、アモルファス化のメカニズムを解明する。その他、交流のある実験グループから最新の実験結果の報告があった場合は、その解釈のための計算に取り組む予定である。
|
| Causes of Carryover |
研究分担者に配分した国内旅費と物品費に関して、予定した額よりも実際に支払った旅費が少なかったこと及び既存装置を利用することで消耗品費の支払い額を抑えたことにより次年度使用額が生じた。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究分担者が国内旅費（日本物理学会岩手大学2017年9月、日本物理学会東京理科大学2018年3月）として翌年度助成金と合わせて使用する。
|
