2019 Fiscal Year Research-status Report

大域的反応経路探索法の格子欠陥の運動挙動解析への適用と実時間問題への展開

Research Project

Project/Area Number	19K21917
Research Institution	Kyoto University of Advanced Science
Principal Investigator	松本龍介京都先端科学大学, ナガモリアクチュエータ研究所, 准教授 (80363414)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Keywords	格子欠陥 / 活性化エネルギー / 材料力学 / 統計力学 / 原子シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements	電子・原子レベルのシミュレーションは，材料強度学の分野で不可欠な研究手段になっており，その重要性は今後も増していくと考えられる. しかしながら，現在用いられている計算手法は取り扱える時間スケールが極端に短いものや，解析者の洞察力やモデリングに強く頼った初期条件依存性の強いものばかりである．エネルギー極小点から初期探索方向を設定し，その近傍のポテンシャル曲面の谷に沿って鞍点まで系を押し上げていくことで現象を起こし，活性化エネルギーを評価するGRRM法が化学分野で開発されている．本年度は，GRRM法の格子欠陥運動への適用を目指した． GRRM法は分子構造の変化を解析するために開発された手法である．本研究で取り扱おうとしている金属中の格子欠陥の運動と，分子の異性体間の遷移とでは系に含まれる原子数が大きく違なる．そこで，周期境界条件などの金属結晶の解析に用いられている各種の手法をGRRM法に導入した．また，GRRM法では固有振動モードを基底として原子の変位を記述するが，本研究では大幅に自由度を削減するために，格子欠陥まわりの原子運動に強く寄与する基底に重みを与えて初期探索方向を決定するようにプログラムを開発した．原子間ポテンシャルを単純なレナード・ジョーンズポテンシャルとして，原子数 107 からなる単空孔を含むfcc結晶中の空孔拡散経路解析を行なった．初期状態となる結晶構造を入力するだけで空孔拡散において最も重要な経路である空孔の第一近接原子が拡散する経路12 個が解析され，開発したGRRM 法プログラムで金属結晶の未知の最小エネルギー経路探索が可能であることを示唆した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 格子欠陥の運動問題では，応力下で熱活性化過程の発生頻度に従って次々と活性化エネルギーを超えていく現象を取り扱う必要がある．GRRM法においては，膨大な数の初期探索方向に対して解析を行うことで，あるエネルギー極小状態から生じる全ての熱活性化過程を網羅することができると考えられる．本年度は，GRRM法の基本的なプログラムを開発し，レナード・ジョーンズポテンシャルで相互作用する粒子からなる結晶中の単空孔の拡散経路解析に適用した．特に，初期状態となる結晶構造を入力するだけで空孔拡散において最も重要な経路である空孔の第一近接原子が拡散する経路が網羅され，開発したGRRM 法プログラムで金属結晶中の未知の最小エネルギー経路探索が可能であることを示した．以上のことは，おおむね計画通りであり，本研究は順調に進展していると判断できる．
Strategy for Future Research Activity	従来手法(Nudged Elasti Band法)の適用が可能な空孔と複空孔の拡散挙動の解析にGRRM法を適用することを通して，精度検証と解析の高速化を行う．また，各探索方向に対する計算をMPIを用いて並列化して大規模並列計算機を用いて処理することで，複雑な系で生じ得る熱活性化過程を高速に網羅することを考える．さらに，実材料に近い系を取り扱えるようにGRRM法のプログラムを変更する．具体的には金属系でよく用いられるEAM（Embedded Atom Method）ポテンシャルを使えるようにする．
Causes of Carryover	（理由）当初予定していた人件費を使うことなく，研究を順調に進めることができたため．（使用計画）令和２年度は，より大規模な計算を実施するために計算機を整備する予定である．