2019 Fiscal Year Research-status Report
第一原理計算からの気液固複合相ヘテロ界面の実在系非平衡シミュレーション
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19K22044
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
多田 朋史 九州大学, エネルギー研究教育機構, 教授 (40376512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
洗平 昌晃 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 気液固複合相 / ヘテロ界面 / 非平衡シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
第一原理電子状態計算の進歩によりバルク材料物性の高精度予測が可能となったが、デバイスとしての性能を議論する際に重要であるバルク材料と他相（気相、液相、固相）との接合界面（ヘテロ界面）に関しては計算技術の飛躍的進展が必要とされている 。これは、原子、分子、イオンが各相に流れ込むことによる不定比組成状態がヘテロ界面に出現することに加え、各素過程に依存した反応・拡散速度の違いによる非平衡性のため 、ヘテロ界面の実態を微視的に決定することが極めて困難なためである。既存の第一原理分子動力学計算では到達不可能な時空間スケールの現象である。よって、ヘテロ界面の正確な微視的モデリングからデバイス設計への道筋を確立するためには、第一原理電子状態計算を利用した網羅的素過程探索と、気液固複合相の非平衡状態を記述できる長時間ダイナミクス手法との融合が必須である。本研究は、代表者開発の大規模開放系動的モンテカルロ法と分担者開発のマルチカノニカル法を発展的に融合することで気液固複合相ヘテロ界面の実在系非平衡シミュレーションを実現し、新しい計算技術の潮流を生み出すことを目的とした研究である。
上記の目標を達成すべく、H31年度（令和元年度）は代表者による動的モンテカルロ用の液体状態の記述法確立と大規模開放系動的モンテカルロ法の更なる高速化、分担者による第一原理計算を用いた網羅的素過程探索と第一原理計算の高速化、を実行した。
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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
H31年度（令和元年度）は代表者による動的モンテカルロ用の液体状態の記述法確立と大規模開放系動的モンテカルロ法の更なる高速化、分担者による第一原理計算を用いた網羅的素過程探索と第一原理計算の高速化、を実行した。動的モンテカルロ用の液体状態の記述法としては、２つの手法について検討を行った。１：固体用動的モンテカルロ法のグリッド手法を採用、２：ニューラルネットワークポテンシャル分子動力学と動的モンテカルロ法との融合。いずれの手法も十分に実行性の高い手法であることを確認した。大規模開放系動的モンテカルロ法の更なる高速化としては、現状のプログラムにおけるホットスポットであるポアソンソルバー部分の高速化に成功した。第一原理計算を用いた網羅的素過程探索では、欠陥を含む酸化物を対象として、その系における網羅的素過程探索を実行し同手法の有効性を確認した。第一原理計算の高速化ではニューラルネットワークポテンシャルを導入することで、第一原理計算の精度をおとすことなく1000倍程度の高速化を達成した。以上の通り、H31年度（令和元年度）の計画を順調に達成し、最終目標に向けて研究は進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和２年度（最終年度）は、高速化された液体用動的モンテカルロを用いて、複雑系をターゲットとした網羅的素過程探索実行後、巨視的な時間スケールにわたる動力学計算を実行する計画である。また、同目標を達成する上で、電子ダイナミクスを取り入れることの重要性も明らかとなり、当初の計画では含めていなかった動的モンテカルロ法による電子ダイナミクス記述法の構築も含めることとした。研究推進としては、本来であれば代表者と分担者それぞれの活動拠点で定期的な打ち合わせを行うことが望ましいが、昨年１２月ごろから世界的に蔓延しだしたコロナウイルスの影響により、個々の拠点からは移動せず、電子メールやWeb会議等を用いて継続的に打ち合わせを行う予定である。代表者と分担者が開発している個々の技術の有機的な融合が望ましいが、目標達成においてはそれぞれの技術とそこで得られた情報をカスケード的に用いることで達成できるため、研究推進としては上記のもので十分であると考えている。
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| Causes of Carryover |
昨年１２月ごろから世界的に蔓延しだしたコロナウイルスの影響により、令和元年度後半において使用予定であった旅費（九大―名大）、謝金（新規テクニカルスタッフ雇用によるデータ入力やデータ整理）、物品費（データ入力やデータ整理に必要な電子機器物品費）、の使用が困難な状況になった。令和元年度の研究として実行すべき内容は、代表者、分担者がそれぞれの研究拠点において本人自身が対応したため研究の推進という観点からは計画通りであるが、上述のような状況が発生したため研究費の使用については計画から変更が生じた。次年度の使用用途としてはデータ入力やデータ整理の謝金として使用する目途が立ったため、最終目標に向けて研究費の適切な使用ができる状況である。
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Research Products
(1 results)
