2019 Fiscal Year Annual Research Report
Buckling-induced giant property response in nanostructures and mechanical design of novel devices
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19H02020
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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, 大学院総合研究部, 教授 (40312392)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 座屈 / マルチフィジックス / 原子モデリング / 欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無欠陥カーボンナノチューブの圧縮荷重に対して、荷重増加に伴う座屈挙動分子動力学シミュレーションを行い、原子構造不安定解析法を用いて、発現する座屈モードの分類・荷重条件同定を行った。ナノチューブの構造によって不安定モードが異なること、座屈後に発現する変形様態がナノチューブのアスペクト比によって3種類に分類されることを示した。また、座屈がナノチューブの物性（機能性）に及ぼす影響の解析を実施し、座屈に伴うバンドギャップエネルギー変化の挙動は上記の座屈変形様態によって異なることが分かり、アスペクト比が小さい場合に発現する変形様態の場合にはバンドギャップ変化量と軸方向応力に良好な相関があることが示された。
また、欠陥モデルなど複雑なモデルに対するマルチフィジックス解析を高速で行うため、原子シミュレーションによって得られた原子構造に対して電子構造のバンドギャップを求めるための人工ニューラルネットワーク（ＡＮＮ）型関数を構築した。原子構造を変化させ、第一原理計算によって求めた電子状態密度の一部をリファレンスデータ、残りをテストデータとし、ＡＮＮモデルにより学習させた。良好な学習がなされていることをテストデータを用いて実証した。
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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
原子モデルによる1次元ナノ構造体の圧縮座屈挙動の解析ならびに構造不安定モードの検討は計画通り実施され、座屈モードや変形様態と構造の関係について明らかにすることができた。また、座屈がバンドギャップ変化に及ぼす影響についても体系的に検討を行うことができ、バンドギャップ変化を支配する要因を明らかにすることができた。これは新規デバイス創製にも応用しうる興味深いデータと考えられる。また、原子間ポテンシャルのマルチフィジックス対応への拡張についても基本モデルを構築することができた。以上のように、おおよそ計画通り順調な進捗状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
マルチフィジックスポテンシャル関数作成と検証、および座屈の分子動力学解析を引き続き行い、特に欠陥を含むモデルに展開して欠陥導入による座屈モードおよび物性変化制御の可能性について検討する。前年度に作成したマルチフィジックス原子間ポテンシャルをStone-Wales型欠陥や原子空孔等の欠陥構造に適用してパラメータフィッティングを行い、欠陥構造に対するマルチフィジックスポテンシャルの精度および安定性などを検証する。欠陥を導入した1次元ナノ構造体（ナノチューブ、ナノワイヤ等）について座屈分子動力学解析を行い、欠陥の種類や欠陥導入箇所が座屈挙動やそれに伴う物性変化に及ぼす影響を明らかにする。原子構造不安定モード解析を行い、座屈発現の前駆過程を詳細に分析することで、欠陥構造が座屈モードに及ぼす影響を明らかにする。
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