2012 Fiscal Year Research-status Report
自律型原子モデリングと原子構造不安定解析による強誘電材の劣化メカニズムの解明
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24560087
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
梅野 宜崇 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (40314231)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / ドメインスイッチング / 原子シミュレーション / 構造不安定性 / 第一原理計算 |
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| Research Abstract |
強誘電材料は，不揮発性メモリデバイス(FeRAM)，MEMS アクチュエータ，センサ，振動回収発電など様々な応用範囲を持つが，作動中の外力・電界の繰り返し負荷による機能劣化することが問題となっている．ドメイン壁(DW)移動による分極スイッチングに及ぼす結晶欠陥や界面の影響が大きく関与していると考えられる機能劣化メカニズムを明らかにするため，原子モデル解析を行うことが本課題の目的である．本年度は，原子間ポテンシャルを効率よく構築するアルゴリズムを作成した．電荷移動を表現する項を含めたモデルではパラメータ数が飛躍的に増えるが，このようなモデルに対しても高効率でフィッティングが可能であることを確認した．またシェルモデル（電荷移動ポテンシャル）を用いた分子動力学解析により，せん断応力によるチタン酸鉛（PbTiO3）の90°DW移動のシミュレーションを行い，DW移動の臨界応力を評価した．得られた電荷移動ポテンシャルによって見積もられた臨界せん断応力は，第一原理計算で求めたそれと定量的によく一致する結果が得られた．また，DWに形成される電場が長距離の相互作用を持つため，臨界せん断応力の評価にはこの点の考慮が極めて重要であることを見出した．
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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
平成24年度計画であった自律型原子モデリングアルゴリズム（ポテンシャルの半自動作成）の開発については，ポテンシャル作成に必要なリファレンスデータを第一原理計算で求める際，第一原理計算に流し込むインプットデータを半自動的に作成するとともに，得られた第一原理計算結果をポテンシャルフィッティングにフィードバックするアルゴリズムを構築した．これにより，電荷移動項を含む複雑なポテンシャルの効率的な構築（パラメータフィッティング）が容易になった．
また平成25年度以降の計画であったDW移動の解析についてもすでにスタートしており，シェルモデルを用いた分子動力学計算により応力誘起DW移動のシミュレーションに成功している．定量的にも良好な結果が得られている．これにより，今後の不安定モード評価や温度効果の検討など様々な解析の準備が整った．
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| Strategy for Future Research Activity |
酸化物強誘電材に対して，様々なポテンシャル形式への拡張を行う．具体的には，比較的最近提案されたTangney-Scandoloによるダイポール型ポテンシャルを採用する．これによってPbTiO3以外の様々な強誘電材（PbZrO3, PZT, BrTiO3，BaTi2O5，KnbO3等が候補）の原子モデリングシミュレーションを行う．
さらに，応力あるいは電場誘起のDW移動の分子動力学解析を進める．有限温度やキンク構造による臨界応力の低下，DW付近に存在する酸素空孔などの欠陥による臨界応力の上昇（DWのピン止め効果）について解析を行う．同時に，Atomistic Structural Instability Analysis（ASIA）法を用いて，潜在的不安定モードの発現およびその活性化過程を明らかにする．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
高機能のグラフィックボードを搭載したワークステーション一式を購入する．これにより大規模原子シミュレーション・ASIA法による不安定モード解析によって得られたデータ処理（不安定ベクトルの可視化等）を行うことで，複雑な構造の不安定化メカニズムが飛躍的に検討しやすくなるためである．
また，研究成果発表およびディスカッションを精力的に行っていくため，国内・海外旅費として使用する．特に本年度はナノ材料の変形メカニズムや構造不安定解析をテーマとした国際会議が米国にて複数開催されるため，これらに積極的に参加し情報発信を行う予定である．
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