粗視化分子動力学法の開発とエレクトロニクス材料の原子レベル制御への応用

• 研究課題/領域番号: 11750002
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 応用物性・結晶工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 久保 百司 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90241538)
• 研究期間 (年度): 1999 – 2000
• 研究課題ステータス: 完了 (2000年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2000年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 1999年度: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
• キーワード: 粗視化分子動力学法 / エレクトロニクス材料 / 原子レベル制御 / 結晶成長シミュレーション / 量子分子動力学法 / ナノ構造形成技術 / 高速計算 / 化学反応ダイナミックス / プログラム開発 / 量子ドット / 理論設計 / MOMODY

研究概要

化合物半導体における0次元的量子閉じ込め構造を実現すると半導体レーザーは飛躍的にその特性を改善できることが明らかになってきた。しかし、化合物半導体量子ドットはそれを構成するドット自体が単一原子種ではなく化合物であり、またその量子ドットが形成される場所もヘテロ界面であることから、現在のシリコン半導体技術をしのぐ高度な制御が必須となる。原子レベルでの構造形成と自己組織化現象を人工的に誘導した配列制御を駆使しなければならないナノ構造形成技術を実現するためには厳密な理論に基づく原子レベルでの理論設計が望まれている。
昨年度は、結晶成長を支配する重要な部分のみを分子動力学法で計算し、その他の部分を粗視化して計算を行うことによって、飛躍的に演算量を削減することが可能な粗視化分子動力学計算プログラムDUNAL-MOMODYの開発に成功した。本年度は結晶成長における化学反応ダイナミックスを扱うことが可能な量子分子動力学計算プログラムに関しても粗視化による高速化計算を実現した。具体的には、結晶成長を支配する重要な部分のみを量子分子動力学法で計算し、その他の部分を古典分子動力学法で計算することで、数千倍以上の高速計算を実現した。本プログラムの開発によって、数十原子しか計算できなかった量子分子動力学法に対して、数百から数千原子の結晶成長シミュレーションを可能にした。さらに、本プログラムをMgO(001)面上のPd微粒子の結晶成長、MgO(001)面のホモエピタキシャル成長など様々な系に適用することに成功した。

研究成果

• [文献書誌] M.Kubo et al.: "Homoepitaxial Growth Mechanism of ZnO (0001): Molecular-Dynamics Simulations"Physical Review B. 61. 16187-16192 (2000)
• [文献書誌] H.Tamura et al.: "Periodic Densicy-Functional Study on Oxidation of Diamond (100) Surfaces"Physical Review B. 61. 11025-11033 (2000)
• [文献書誌] T.Onozu et al: "Investigation of Thermal Annealing Process of GaN Layer or Sapphire by Molecular Dynamics"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4400-4403 (2000)
• [文献書誌] S.Takami et al.: "Computational Chemistry Study on Initial Stages of Nitridacion of Silicon Surfaces"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4443-4446 (2000)
• [文献書誌] T.Onozu et al.: "Investigation of Thermal Annealing Process of GaN Layer on Sapphire by Molecular Dynamics"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4400-4403 (2000)
• [文献書誌] A.Endou et al.: "Comparative Investigation on the Adsorption Propercies of Precious Metal Clusters toward NO : A Density Functional Study"The Journal of Physical Chemistry B. 104. 5110-5117 (2000)
• [文献書誌] M.Kubo et al.: "Chemical Vapor Deposition Process on the ZSM-5(010) surface as Investigated by Molecular Dynamics"The Journal of Physical Chemistry. 103. 1876-1880 (1999)
• [文献書誌] Y.Oumi et al.: "Periodic Boundary Quantum Chemical Study on ZnO Ultra-Violet Laser Emitting Materials"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 2603-2605 (1999)
• [文献書誌] A.Yamada et al.: "Tight-binding Molecular Dynamics Simulation of Desorbed SiO Molecule during the Oxidation of Si (III) Surface"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 2434-2437 (1999)
• [文献書誌] T.Onozu et al.: "Computational Studies on GaN Surface Polarity and InN/GaN Heterostructures by Density Functional and Molecular Dynamics"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 2544-2548 (1999)
• [文献書誌] K.Teraishi et al.: "Use of Umbrella Sampling in the Calculation of the Potential of Mean Force for Silicon Surface Oxidation"Surface Science. 426. 290-297 (1999)
• [文献書誌] H.Tamura et al.: "Molecular Dynamics Simulation of Friction for Hydrocarbon Thin Films"Langmuir. 15. 7816-7821 (1999)