2016 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ構造体の電子物性解明に向けた統合シミュレーション手法の開発
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26286085
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
常行 真司 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (90197749)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 第一原理電子状態計算 / ナノ構造 / 分割統治法 / エネルギースペクトル / 不純物準位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
密度汎関数理論などの第一原理に基づく電子状態計算手法は、物質中の原子配置と電子物性を高精度に理論解析・理論予測するための強力な手段である。ところが通常の第一原理計算の計算コストは、系の大きさの3乗もしくはそれ以上のべきで増加するため、複雑なヘテロ界面を含むナノ構造体への適用には多くの計算資源を要する。そこで大規模系を小さな部分系に分割し、個々の部分系における電子状態計算をほぼ独立に行うことで、計算コストを系の大きさの1乗に収める、いわゆる分割統治法（オーダーN法の一種）が開発されているが、全系に広がった電子状態やそれがもたらすエネルギースペクトルが記述できないため、利用範囲が限定されている。
本研究では、分割された各部分系（フラグメント）の波動関数を基底関数として全系波動関数表現し、部分系のエネルギースペクトルを利用することで、高速に全系の電子エネルギースペクトル計算を実現する手法の開発を行ってきた。平成27年度に基盤となるオーダーN法をLS3DF法からLDC法に切り替えたことにより、計算精度が大幅に向上し、かつ適用範囲が広がった。
今年度は，部分系軌道から基底を生成する過程の改良と，本手法のハイブリッド汎関数への適用を推進した．前者に関して，部分系軌道から部分系の緩衝領域に由来する寄与を除去する過程に改良を加えることで，基底数の大幅な削減を実現した．後者に関しても不純物を含むGe結晶などの計算により，ハイブリッド汎関数を用いた全系波動関数の高速計算が可能であることを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の基盤となる分割統治法を、当初計画にあったLS3DF法からLDC法に切り替えたことから、平成27年度に全面的なプログラムの書き換えが必要となり、計画の遅れが生じた。しかしながらこの書き換えとさらなる手法改良により、汎用性と大幅な計算精度の向上が行われたことで、その後は順調に進展し、当初予定していたハイブリッド型交換相関エネルギー汎関数の導入と、ナノ構造体のテスト計算に成功した。ただし、計算資源の確保ができず、本格的な大規模計算が終了しなかったこと、また最新成果について年度内に論文化等の外部発表が終了しなかったことから、「(3)やや遅れている」と判定した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年に行った手法改良とプログラム汎用化により、大規模系での実証計算を実施する準備が整った。今年度は計算資源を確保して早期に実証計算を行い、成果の論文化等の外部発表を実施する。
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| Causes of Carryover |
平成28年度秋に大きな進展があり、これまで以上に高精度かつ汎用的な新規手法開発に成功した。この新手法を実問題に適用するため、当初予定していなかった大規模計算が必要となったが、年度後半のため計算機リソースの追加借り入れができなかった。成果を論文にまとめるにあたり、平成29年度早々に情報基盤センターの計算機を借りて計算データを追加するため、また国際会議での成果発表を行うため、予算の次年度使用が必要となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
大規模実証計算を行うための計算機使用料と、成果発表のたに使用する予定である。
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