2017 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical calculations on ion dynamics around singular structures in oxides
Publicly Offered Research
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
17H05330
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
渡邉 聡 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00292772)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 酸化物 / 第一原理計算 / イオンダイナミクス / 特異構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、局所的な特異構造におけるイオンダイナミクスの信頼性と高速性を兼ね備えたシミュレーション解析法を、第一原理計算と機械学習を用いて開発することを目指して研究を進めている。平成29年度の主な成果は以下のとおりである。
（１）多元化合物に対するニューラルネットワークポテンシャル構築：アモルファスアルミナ中の銅原子拡散を解析する、密度や組成（酸素とアルミニウムの比率）の異なる系を扱える汎用性を備えたポテンシャルを開発し、第一原理計算のエネルギー値との比較およびアルミナ構造の特徴についての実験・理論計算の先行研究との比較から、所望のポテンシャルの作成に成功したことを示した。さらに、銅原子拡散挙動の密度依存性および組成依存性に関する予備的な結果を得た。
（２）電場下のニューラルネットワークポテンシャル作成に向けて：まず、電場印加による力の変化がボルン有効電荷と強く相関することを明らかにした。これを踏まえ、ボルン有効電荷を予測するニューラルネットワークの構築を進めた。まだ予測精度の点で不十分であるため、今後改良を試みる。
（３）フォノン計算：ニューラルネットワークポテンシャルによるフォノン計算を、SiGe合金系およびGaNについて進めた。これまでのイオンダイナミクスに比べ、フォノンバンドの再現には高い精度が必要であることがわかった。精度の改善をある程度進めることができたが、今後さらに改良を試みる。
並行して、第一原理計算によるフォノンおよび電子フォノン相互作用の振舞いの解析をGaNについて進めた。その結果、歪のかけ方によってoptical phononの変調具合が変わることが見えてきた。特に面内二軸ひずみ（ｃ軸方向への圧縮に相当）では、LO-TO分裂の仕方が大きく変わることがわかった。
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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
密度や組成のことなる系を扱えるニューラルネットワーク（NN）ポテンシャルを構築できる目途が立ち、電場下についてもボルン有効電荷がキーであると特定してその振舞いを記述するNNの構築に進んだ。フォノン計算については予想以上に手ごわいことがわかったものの、精度の向上を着実に進めている。さらに、第一原理計算でのフォノンや電子フォノン相互作用の振舞いの解析も進んだ。
以上を踏まえ、おおむね順調に進んでいると判断した、
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）多元化合物については、これまでの知見を他の系に生かすことに注力する。特に、酸化タンタルにおいて、酸素の組成比や密度の異なる状況に対応できるニューラルネットワークポテンシャルを構築し、また水分子を含有している場合等を解析できるよう、3元以上への拡張を進める。
（２）電場下については、ボルン有効電荷を記述するニューラルネットワークを構築した上で、原子・イオンに働く力の電場による変化を記述できるニューラルネットワークポテンシャルの構築を試みる。
（３）フォノン計算については、ニューラルネットワークポテンシャルの高精度化と、欠陥のある系のニューラルネットワークポテンシャルの精度検証の2点を並行して進める。以上の解析を、フォノンや電子フォノン相互作用の振舞いの第一原理計算による解析と照らし合わせながら進め、精度と計算速度の点で最適な計算・解析手法を確立することを目指す。
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