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

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23710135
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 伊藤 篤史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10581051)
• Project Period (FY): 2011-04-28 – 2016-03-31
• Keywords: アモルファス / 炭素 / ナノ炭素 / 分子動力学 / シミュレーション / 密度汎関数理論 / ダイヤモンドライクカーボン

Outline of Annual Research Achievements

最終年度としてアモルファス炭素の構造分類に関する研究のまとめを行った。昨年まではアモファス炭素構造の分類に必要なサンプル構造の準備が上手くいかずに遅れが出ていた。原因として、サンプル構造の作成としてアニーリングやプラズマ化学蒸着による堆積など実験を模擬したアモルファス炭素の作成を行ったものの、生成された構造の種類がそれらの作成法に非常に強く依存することが明らかになり、理論的に一般化された構造の分類をできるほど十分な種類のサンプルが採取できなかったことにある。
しかし、一年間の延長期間を利用して、マルチカノニカル分子動力学法によるサンプル構造の作成を試みたところ、効率の良いアモルファス構造のサンプリングを行うことができた。以前にも同手法の採用を試みたことはあるが、その際に用いた原子間相互作用を扱うBrennerポテンシャルモデルの構造変化のエネルギーバリアが非現実的に高く、sp2リッチな構造以外が採取できなかった。しかし、sp3リッチなダイヤモンドライクカーボン(DLC)の作成や高圧化のグラファイトからダイヤモンドへの転移などを再現するようにH25年度に開発した独自のポテンシャルモデルをマルチカノニカル分子動力学と併用することで、幅広い構造のサンプルが可能となった。その結果、実験から経験的にしか分類されていなかったsp2リッチおよびsp3リッチなアモルファス炭素の間には確かに0.1-0.2eV程度のバリアがあることを突き止めた。これはDLCに代表されるアモルファス炭素の産業応用における寿命等に関連した重要な物理量である。また、sp2リッチながら高い密度を持つ新しい構造の存在も示唆された。
このように、独自に開発したポテンシャルモデルとマルチカノニカル分子動力学の併用によりアモルファス炭素の構造分類という当初の目標設定に対して、一年の遅れはあったものの期待通りの成果に達した。

Research Products

• [Journal Article] Study of tritium desorption by energetic ion bombardment from tungsten material (2016)
  • Author(s): Shuichi Kato, Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Mamiko Sasao, Motoi Wada, and Hiroaki Nakamura
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 55 Pages: 01AH11
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.01AH11
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hybrid simulation research on formation mechanism of tungsten (2015)
  • Author(s): A. M. Ito , A. Takayama , Y. Oda , T. Tamura , R. Kobayashi , T. Hattori , S. Ogata , N. Ohno , S. Kajita , M. Yajima , Y. Noiri , Y. Yoshimoto , S. Saito , S. Takamura , T. Murashima , M. Miyamoto and H. Nakamura
  • Journal Title: J. Nucl. Mater. Volume: 463 Pages: 109-115
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.018
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Molecular dynamics and Monte Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation (2015)
  • Author(s): A. M. Ito , A. Takayama , Y. Oda , T. Tamura , R. Kobayashi , T. Hattori , S. Ogata , N. Ohno , S. Kajita , M. Yajima , Y. Noiri , Y. Yoshimoto , S. Saito , S. Takamura , T. Murashima , M. Miyamoto and H. Nakamura
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 55 Pages: 073013
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073013
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Multicanonical sampling of amorphous carbon structures with molecular dynamics and density functional theory simulations (2016)
  • Author(s): Atsushi M. Ito
  • Organizer: 8th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials / 9th International Conference on Plasma-Nano Technology & Science
  • Place of Presentation: Nagoya University, Nagoya, Japan
  • Year and Date: 2016-03-06 – 2016-03-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素および希ガスと各種金属原子間のポテンシャルモデル開発 (2015)
  • Author(s): 伊藤篤史, 加藤周一, 中村浩章
  • Organizer: プラズマ核融合学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [Presentation] プラズマ－物質相互作用シミュレーションにおける入射フラックスと入射フルーエンス (2015)
  • Author(s): 伊藤篤史
  • Organizer: 第31回九州・山口プラズマ研究会
  • Place of Presentation: COCOLAND SPORTS&RESORT, 山口
  • Year and Date: 2015-11-01 – 2015-11-02
  • Invited
• [Presentation] BCA-kMC Hybrid Simulation for Hydrogen and Helium Implantation in Material under Plasma Irradiation (2015)
  • Author(s): S. Kato, A. M. Ito, H. Nakamura, M. Sasao, M. Wada
  • Organizer: 9th International Conference on Reactive Plasmas
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-10-12 – 2015-10-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘリウムプラズマ誘起ナノ構造のシミュレーションによる金属比較 (2015)
  • Author(s): 伊藤篤史
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] ヘリウム誘起繊維状ナノ構造形成に纏わる金属比較 (2015)
  • Author(s): 伊藤篤史
  • Organizer: プラズマシミュレーターシンポジウム2015
  • Place of Presentation: 核融合科学研究所
  • Year and Date: 2015-09-03 – 2015-09-04
  • Invited
• [Presentation] Fusion material simulation (2015)
  • Author(s): A. M. Ito, T. Murashima, T. Tamura, R. Kobayashi, A. Takayama, S. Kajita, S. Takamura, N. Ohno, M. Yajima, Y. Yoshimoto, S. Ogata, S.Kato, and H. Nakamura
  • Organizer: Innovations and co-designs of fusion simulations towards extreme scale computing
  • Place of Presentation: Nagoya University, Nagoya, Japan
  • Year and Date: 2015-08-20 – 2015-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasma-Material Interaction: Fuzzy Nanostructure Formation by Helium Plasma Irradiation (2015)
  • Author(s): Atsushi M. Ito, Takahiro Murashima, Arimichi Takayama, Tomoyuki Tamura, Ryo Kobayashi, Shin Kajita, Shuichi Takamura, Noriyasu Ohno, Miyuki Yajima, Yoshihide Yoshimoto, Shuji Ogata, and Hiroaki Nakamura
  • Organizer: International workshop on Warm Dense Matter
  • Place of Presentation: Kurashiki, Japan
  • Year and Date: 2015-06-08 – 2015-06-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Tungsten Fuzzy Nanostructure Growth by Molecular Dynamics and Monte-Carlo Hybrid Simulation (2015)
  • Author(s): A. M. Ito, T. Murashima, T. Tamura, R. Kobayashi, A. Takayama, S. Kajita, s. Takamura, N. Ohno, M. Yajima, Y. Yoshimoto, S. Ogata, and H. Nakamura
  • Organizer: International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices (MoD-PMI)
  • Place of Presentation: Marseille, France
  • Year and Date: 2015-05-25 – 2015-05-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Atsushi M. Ito web (所属研究機関の研究者ホームページ)
  • URL: http://www-fps.nifs.ac.jp/ito/