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この研究は、ナノスケール切削の切削現象の構造解明のために必要である工具-被削材間の原子間相互作用を求めることを最終的な目的としている。
原子間相互作用は量子計算により求めることが可能ではあるが、工具-被削材間の原子感相互作用は結晶表面間の相互作用であり、通常の量子計算で原子間相互作用を求めようとすると非常に多くの原子を並べたモデルを使って計算する必要がある。しかし、現在の計算機の能力では多くの原子を並べたモデルを計算することは不可能である。そこで少ない原子で結晶表面間の原子間相互作用を求めるためのモデルを考案した。考案したモデルは次のような考え方で作った。まず、結晶の表面に水平な方向には周期性があることを利用し、Wigner-Seitzの方法を用いた周期境界条件を設定する。次に結晶内部の原子の電子分布は既知であるので、結晶内部の原子の電子分布を固定した。このモデルにより、結晶表面の工具原子1個と被削材原子1個について計算すれば、結晶表面間の原子間相互作用を求めることができる。しかしながら、このモデルは複雑な境界条件を持つため、量子計算の基底関数に通常用いられるSlater型関数やGauss型関数、そして球面調和関数といった関数系を用いることが不可能である。また、今回考案したモデルは工具や被削材の原子によって境界条件が変化する。そこで、複雑な境界条件に簡単に適用できるように基底関数に有限要素法の形状関数を用いることにした。
今年度の研究では、工具にダイヤモンド、被削材を銅としたモデルを考え、原子間相互作用を計算するシステムを作成し、原子間相互作用を求めることができた。例えば原子間距離が4.0〔a.u.〕のとき、結晶表面の炭素原子1個と銅原子1個の持つポテンシャルエネルギは、約-837.98〔a.u.〕である。これらの計算結果から、このモデルは若干の改良の必要があるが、かなり妥当なものであるといえる。
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