2010 Fiscal Year Annual Research Report
電子輸送シミュレーションによるナノ構造電極のデザインと電気化学プロセスへの応用
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21360063
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
後藤 英和 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80170463)
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| Keywords | 表面ナノ構造電極 / 電気化学プロセス / 第一原理シミュレーション / 電子輪送 / 多電子系 / 非直交基底 / ガウス関数基底セット / 電子相関エネルギー |
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| Research Abstract |
本研究では、電気化学プロセスにおける電極表面と水分子との間で起こる電子輸送現象を、電子輸送特性シミュレーション手法によって解明する。特に、表面にナノスケールの幾何学的構造パターンを有する電極を用いたとき、電極表面と水分子との間の電子輸送が効率的に行われるために必要な「共鳴電子状態」を形成することが可能であり、そのとき水分子の高効率な電気分解が行われるという予測を実証し、水の電気分解など電気化学プロセスのための高効率電極としての「表面ナノ構造電極」の設計指針を示す。そのためには、ナノスケール構造体の電子輸送特性を正確かつ効率的に求めることが可能なシミュレーション手法を確立し、シミュレーションコードを作成する必要がある。ナノ構造パターンにおける「共鳴電子状態」を正確に求めるためには、相関エネルギーを精度よく計算することが可能な多電子状態計算手法が必要であり、前年度は空間をGrid分割しGrid点上の物理量のみを扱うGrid DEN (Direct Energv Kinimization)法の開発を行った。そこで本年度は、この研究をさらに発展させることを目的として、ガウス関数基底セットを用いて高速計算を行うGaussian DEM法の開発を行った。具体的には、多電子波動関数としてスレーター行列式の線形結合を用い、1電子軌道はガウス関数基底セットを用いて表す。そして、ハートリー・フォック解を初期波動関数とし、変分原理に基いて1電子波動関数の更新を繰り返すことで非直交基底関数系を生成し、できるだけ高速にかつ少ないスレーター行列式の数で正しい基底状態へと収束させることを目的とした。シミュレーションコードを試作し、6-31G**ガウス関数基底セットを用いて水素分子の基底エネルギー計算に適用したところ、Grid DEM法の1/1000以下の時間で計算可能であることがわかった。また、厳密解を与えるfrull CI (Configuration Interaction)法の約1/4の数のスレーター行列式で基底状態のエネルギーを計算することができた。
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