| Project/Area Number |
23K04679
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | Nara Women's University |
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Principal Investigator |
太田 靖人 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (30447916)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
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| Keywords | グラフェン / 転位 / 強結合密度汎関数法 / 第一原理電子状態計算 / 欠陥 / 分子動力学シミュレーション / 第一原理計算 |
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| Outline of Research at the Start |
グラフェンやカーボンナノチューブといった炭素系ナノ物質内に含まれる欠陥は、電子線の照射によって、多様で複雑な挙動を示すことが最近の研究報告によりわかってきた。しかしながら、こうした欠陥ダイナミクスの詳細を原子レベルで明らかにしようとする研究は遅れており、解明すべき問題が多く残されている。本研究では、低次元ナノ物質内の欠陥が密接に関与する自己組織化過程の原子ダイナミクスに焦点をあてる。第一原理電子状態計算と量子分子動力学シミュレーションを相補的に用いた手法で欠陥が関与する大域的な原子再配列機構を明らかにする。これにより、低次元ナノ物質の精密な物性制御への展開につながる研究基盤の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンに含まれる転位（５員環と７員環からなる局所構造）の消滅過程における原子ダイナミクスを解明することを目的とし、密度汎関数強結合法(DFTB)に基づいたMDシミュレーション（DFTB/MD）と第一原理電子状態計算に基づいたエネルギー解析等を引き続き実施した。計算にはDFTB/MDおよび第一原理計算いずれも４５０前後の原子を含んだスーパーセルを用いた。DFTB/MD計算の初期配置として、互いに向き合あった二つの転位が同一のジグザグ格子を共有しない配置を選んだ。この対角的な配置をした転位対は安定であるため、透過型電子顕微鏡を用いた実験でも観測されている。第一原理計算に基づいた結合解析の結果、対角的に配置した転位間の中間領域は転位の影響で面外歪みが極めて大きくなっているにも関わらず、この領域の結合は完全グラフェンとほぼ同等な強度を保っていることが分かった。DFTB/MD計算は、温度1000Kから4000Kの高温条件下で行った。特に4000Kでは最大1.12ns、１０本のトラジェクトリーを走らせた。転位の消滅に至ったトラジェクトリーを詳細に観察すると、原子の熱運動で格子が歪み、転位周辺の第二近接原子同士の接近が促進され、結果として結合回転やC2脱離反応が誘起されることがわかった。また転位の構造発展では、様々な転位の配置が形成されたが、消滅の最終段階では、転位の配置は単一のStone-Wales欠陥、Inverse-Stone-Wales欠陥、線形7557集合体に収束する結果が得られた。特にInverse-Stone-Wales欠陥からC2脱離を経て、完全グラフェン格子が形成される過程が優先的に進行することがわかった。
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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
当初の計画通り、二つの転位が分離して置かれた配置（転位対）の結合状態をより詳しく調べるために第一原理計算に基づいた結合解析を行った。計算の手順としては、低密度極限を想定して完全グラフェンのセルサイズ最適化計算をQuantum Espressoソフトウェアを用い行った。得られたセルサイズを用いて、転位対を含んだ構造の構造最適化計算を同ソフトウェアで実施し、得られた構造の端の炭素を水素原子で不活性化することで孤立分子化した。このモデルに対し、Gaussain16ソフトウェアを用いてWiberg bond index計算を実行した。二つの転位の配置の仕方として、同一のジグザグ格子を共有した配置（水平配置）と共有しない配置（対角配置）を用いた。その結果、水平配置では転位で挟まれた領域の結合が結合交替的な特徴を持つのに対し、対角配置ではそうした結合交替がほとんど見られず、完全グラフェンに近い結合状態を保っていることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
ここまでの研究で、転位対の結合状態が転位の水平配置と対角配置で大きく異なっていることがわかった。これは先行研究で報告されている水平配置の転位対の急速な消滅過程や対角配置の安定性と矛盾していない。今後はこれらの配置からの結合回転に基づいた転位のすべり運動に関する反応経路解析を行い、エネルギー障壁やすべり運動後の構造の安定性について定量的な評価を実施する。この結合回転には５員環と７員環によって共有された結合の切断を伴う過程と伴わない過程の二つが存在するので、両者の違いも比較する。また、MD計算で得られた転位消滅過程における主要な構造を第一原理計算で構造最適化し、欠陥生成エネルギー等を計算することで各欠陥構造の定量的な評価を行う予定である。
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