Exploring Design Guidelines for Hetero 2.5D Materials by Combining Data Science and First-Principles Calculations
Publicly Offered Research
| Project Area | Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation |
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| Project/Area Number |
22H05465
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
加藤 幸一郎 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30888889)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
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| Keywords | 第一原理計算 / データ科学 / ベイズ最適化 / 2次元材料 / ファンデルワールスヘテロ構造 / 機械学習 / マテリアルズインフォマティクス |
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| Outline of Research at the Start |
極めて多様な可能性をもつヘテロ積層型2.5次元材料に対して、ベイズ最適化を駆使して第一原理計算によるデータを体系的に蓄積し、それらデータを用いて(i)更に複雑な2.5次元材料のデータ生成・解析を効率化する技術の検証を行うと共に(ii)安定構造や電子状態の支配因子を説明可能AIで探索する事で、無限に近い候補材料の中から所望の2.5次元材料をデザインするための指針を得る。本研究では、データ生成からデータ活用の各ステップにおいて適材適所で複数のデータ科学手法を駆使することで、個々の2.5次元材料に対する各論の背後に潜む共通原理に迫る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、多様な積層パターンを有する積層型の2.5次元材料に対して、第一原理計算とデータ科学手法を用いることで、所望の物性を有する積層パターンの合目的的な探索や電子状態を左右する因子の探索を進めた。2023年度において、4つの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD：WS2、MoS2、WSe2、MoSe2）を対象に、電子状態の中でもベリー曲率に着目した積層パターンの探索を行った。ベリー曲率は、2層の同種・異種積層型の2.5次元材料に対して、1層目と2層目の積層位置のずらしまでを考慮した多様な積層パターンに対する第一原理計算を実施し、得られた結果を最局在ワニエ関数へと変換した上で算出した。ベリー曲率の最大化を目的変数にランダム探索とベイズ最適化による積層パターン探索を比較し、ベイズ最適化の有効性を検証した。ランダム探索とベイズ最適化のそれぞれについて独立に20回の探索を実施し、最大のベリー曲率を持つ積層パターンに到達するまでの平均探索回数を比較したところ、ベイズ最適化の方が2～3倍ほど早く最適パターンに到達することが可能であることが分かった。
また、積層位置をずらすことによって得られた第一原理計算データを用いることで、モアレ物理に関する2.5次元材料探索も可能であると考えられる。そこで、4つの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD：WS2、MoS2、WSe2、MoSe2）の同種・異種積層（2層）を対象に、積層位置のずらしの電子物性（特に価電子帯上端のエネルギー）への影響を解析し、積層パターンに依存した電子物性の変調を見出した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
