2011 Fiscal Year Research-status Report
ナノスケール秩序構造に着目した炭素のアモルファス・粒界構造の解明
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23710135
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
伊藤 篤史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (10581051)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2015-03-31
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| Keywords | アモルファス / 炭素 / 分子動力学 / シミュレーション / ナノ材料 / 堆積 / グラファイト / ダイヤモンド |
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| Research Abstract |
炭素材料を中心に、これまで難しいとされてきたアモルファス構造の分類を行うため、分子動力学（MD）シミュレーションを用いた研究を行う。プロジェクト発足となる本年は、手始めにChemical Vapor Deposition(CVD)を模擬した堆積によるアモルファスカーボンの形成をMDによってシミュレートし、その堆積生成物について調べた。具体的には、アモルファス炭素でできた基盤の上に、炭素原子を連続的に入射して表面における堆積過程を解析する。ここで炭素原子の入射エネルギーを変化させることで、堆積物中のsp2とsp3炭素の量の比が変わる。このとき100eVから200eV程度の入射エネルギーでsp3の比率がピークになることが解った。これは実験による報告とも一致する。しかしながら、MDではピークでもsp3の比率が20%程度に留まるという問題も露呈した。これに対して実験では80%を超えるものもある。この原因を詳細に調べたところ、MDシミュレーションで用いていたREBOポテンシャルに問題があることが解った。Brennerによって提案されたREBOポテンシャルは、ナノ炭素のMD研究において最もよく使われているモデルだが、今回の研究からsp3リッチな炭素構造では現実の再現性が悪いことが解った。これを解決すべく、全く新しいタイプのポテンシャルを開発した。年度末に完成したばかりではあるが、これによって堆積物のsp3比率は改善することができた。さらに副産物として、高圧状況下におけるグラファイトからダイヤモンドへの転移現象も、MDによるものでは初めて実験に相当する15GPaでの転移を再現することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請時当初の研究計画では、最初の二年間で様々な環境でのアモルファス炭素形成のシミュレーションを行い、できた構造と形成過程との関連を分析することになっている。また同時に、当初からREBOポテンシャルの精度の悪さが問題を引き起こすと予想しており、さらに将来的な不純物の扱いなども想定して、H24年度中にはポテンシャルの開発に取り組む予定であった。しかし、先に述べた様に実際には年度を前倒しした形でポテンシャル開発を行った。一番のポイントは、ダウンフォールディングと呼ばれる方法を導入することでかなりスムーズに炭素系ポテンシャルの完成に至った点である。また、これまで主流であったボンドオーダー型のモデルとせず、仮想的な電子分布を考慮した、より自然な理解に基づくモデルとすることで、アモルファスの様な準安定構造に対してもよいエネルギーの一致が得られるものとなった。さらにボンドオーダー型では困難であった元素の種類を増やす拡張に関しても、比較的簡単に実現できるモデルとなっている。この様に、最も時間がかかると予想していたポテンシャルの作成が非常にスムーズに行っていることからも、今後の順調な進行が見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に開発した新しいポテンシャルモデルを用いて、炭素堆積物の構造に及ぼす形成過程の影響を詳細に解析する。また、堆積物以外のアモルファス炭素の形成にも取り組み、プロセッシングや、高圧環境など、様々な条件でのアモルファス炭素の構造を比較することで、アモルファス構造の分類を進める。また同時に、ポテンシャルモデルのさらなる改良を行い、水素原子やその他の元素を扱えるように拡張する。これは、メタンガスやアセチレンガスなどの炭化水素をソースとしたプラズマCVDの実験をMDシミュレーションで解析する際に、必須になる課題である。新しく開発したポテンシャルモデルでは元素の拡張が比較的簡単になるように設計されているので、うまくいけば、今後の共有結合系のMDシミュレーションにおけるグローバススタンダードなモデルになる可能性がある。また、ポテンシャルを開発する際に利用したダウンフォールディング法の実行には、密度汎関数法を基礎にした量子化学計算の使用が不可欠であったが、本年度においてその技術を習得した。これを生かして、アモルファス構造と電子構造の関連も調べることができないか、検討を進める。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
MDシミュレーションを行うために今年度(初年度)購入予定だったワースクステーションは、タイでの洪水の影響やCPUメーカーの開発遅延による発売延期など、部品が供給されずに購入を見送らざるを得なかった。このための購入予算は基金化されたメリットを生かし、次年度へと繰り越した。次年度には、できるだけ早期にワークステーションを購入する予定である。このワークステーションを利用して、MDシミュレーションだけでなく、ダウンフォールディング法のための量子化学計算や大規模並列化MDコードの開発・ベンチマークなども進める。また、プラズマ・物質相互作用の国際会議「PSI」などに参加して、ポテンシャル作りの発表を行うために6日間の海外渡航を行う予定である。
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[Presentation] Time Development of Agglomeration Process on Carbon Dusts in Hydrocarbon Plasma2011
Author(s)
A. M. Ito, M. Nishiura, T. Koizumi, H. Nakamura, N, Ashikawa, T. Kenmotsu, and M. Wada
Organizer
21st International Toki Conference
Place of Presentation
Toki, Gifu, Japan
Year and Date
November 28 - December 1, 2011
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