2023 Fiscal Year Annual Research Report
機能性ナノ構造物質における非断熱・非平衡現象の第一原理的解明
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21H01766
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
下條 冬樹 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (60253027)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島村 孝平 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 助教 (60772647)
高良 明英 熊本大学, 技術部, 技術専門職員 (70537092)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 構造不規則系 / 非断熱・非平衡現象 / 第一原理計算 / 分子動力学法 / 機械学習 / 計算物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
各種計算物理学的手法を駆使して、構造不規則凝縮系における非断熱・非平衡過程の微視的機構を明らかにすることを目的として研究を実施している。強誘電物質中での位相幾何学的な分極秩序に関連して、強誘電体PbTiO3中での強誘電スイッチングの機構を機械学習原子間ポテンシャルによる大規模分子動力学シミュレーションにより調べた。ボルン有効電荷に基づき力場を機械学習することにより電場印可の下でのダイナミクスを再現することに成功した。これにより、様々な超格子構造において見られる三軸圧縮下の条件における、電場誘起により分極渦構造が出現すること、及び、電場反転に伴い渦構造がスイッチングすることを示した。
機械学習原子間ポテンシャルを用いた摂動分子動力学計算による銀カルコゲナイドの熱伝導度計算においては、記述子に多体の効果を考慮可能なAllegroによる力場を取り入れて計算精度の検証を進めている。機械学習における結合次数展開の次数等のパラメータを変えて、構造や電気伝導度スペクトルを計算し、より高精度な熱伝導度計算への展開を図っている。
最近の実験的研究により観測された、シリコン基板上にグラフェンを配置した系における負性微分抵抗の発現機構の解明を目指し、非断熱・非平衡第一原理分子動力学計算による研究を遂行している。電場印可の下で、シリコン基板で励起された電子とホールのダイナミクスを追跡することにより、電荷移動の割合の電圧依存性を求め、負性微分抵抗の再現に成功した。
単層二硫化モリブデンに対しては、非平衡分子動力学計算と第一原理分動力学計算を行い、結晶粒界の熱・電気伝導に対する影響を調べ、より低い熱伝導度と高い電気伝導度を兼ね備えた、高い熱電性能をもつ半導体実現の可能性を示唆した。
その他、シリカガラスの永久高密度化機構の大規模シミュレーション、カルボン酸の構造と結合状態の第一原理計算等に着手した。
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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
今年度も各研究テーマに対して第一原理計算、機械学習力場による分子動力学計算等を実行し、その結果から多くの知見を得ており、研究進捗状況は概ね順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
層状PbTiO3/SrTiO3系において、古典モデルで扱っていたSrTiO3に対して、第一原子分子動力学シミュレーションに基づいた機械学習力場を応用しているが、安定した構造が保てていないため、アクティブラーニング等により頑健な機械学習原子間ポテンシャルの構築をして、まずは第一原理計算の結果を再現していきたい。銀カルコゲナイドの格子熱伝導度計算においては、Allegroによる力場を適用することにより、まだ完了していないセレン添加した硫化銀の格子熱伝導機構の温度・組成依存性の解明に取り組む。シリコン基板上にグラフェンを配置した非断熱・非平衡分子動力学シミュレーションにおいては、部分状態密度等の詳細解析を行い、負性微分抵抗出現のミクロな機構解析に取り組んでいきたい。単層二硫化モリブデンの研究は完了しており、成果を論文として投稿準備中である。
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