金属種・希ガス種の比較による繊維状ナノ構造形成機構の理論的解明

• 研究課題/領域番号: 15H05563
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 伊藤 篤史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10581051)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 20,670千円 (直接経費: 15,900千円、間接経費: 4,770千円); 2018年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2017年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2016年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2015年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: プラズマ壁相互作用 / ヘリウムプラズマ / タングステン / 分子動力学 / ハイブリッドシミュレーション / 動的モンテカルロ法 / 二体衝突近似 / ナノ構造 / プラズマ・核融合 / ナノ材料 / プラズマ加工 / 計算物理 / 物性理論 / プラズマー壁相互作用 / Fuzz構造 / ダイバータ / シミュレーション / 数理物理 / プラズマ－壁相互作用 / ヘリウム / プラズマ－物質相互作用

研究成果の概要

ヘリウムプラズマ照射によってタングステン表面に誘起される繊維状のナノ構造「ファズ」に関して、シミュレーションによる形成機構を解明に取り組んだ。本現象を扱う為に新しい手法開発に注力し、BCA-MD-KMC三連ハイブリッド法の開発、不純物原子の経路自動探索法の開発、分子動力学のポテンシャルコードを数式から自動生成するメタコンパイラの開発などを行った。これらを駆使し、ファズの成長をシミュレーションで再現する事に成功した。成長メカニズムとして、ヘリウムバブルの破裂の後に、スパッタリングと再堆積現象が繰り返されることがタングステン原子の輸送を引き起こしているという全く新しいメカニズムを発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究を通じて開発されたBCA-MD-KMCハイブリッド法は、原子レベルの計算のまま100秒までの照射現象をシミュレート可能にした画期的な手法であり、プラズマと固体物質の界面現象（プラズマ物質相互作用）に対して広く応用可能な手法である。産業界では半導体プロセスや薄膜コーティングに展開可能で、成功すれば飛躍的な製品開発の向上に繋がる可能性があり、現在は産学連携研究を展開中である。また、動的モンテカルロの経路探索法やメタコンパイラも、プラズマ・核融合分野以外での物質材料シミュレーションに広く展開可能なもので、今後の分野融合的発展が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Triple Hybrid Simulation Method for Tungsten Fuzzy Nanostructure Formation (2018)
  • 著者名/発表者名: ITO Atsushi M.、TAKAYAMA Arimichi、NAKAMURA Hiroaki
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 号: 0 ページ: 3403061-3403061
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3403061
  • NAID: 130007437740
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2018-06-15
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First principle calculations of energy of agglomerated helium in the period 6 elements (2018)
  • 著者名/発表者名: Omori K.、Ito A.M.、Mun I.、Yamashita N.、Ibano K.、Lee H.T.、Ueda Y.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 16 ページ: 226-229
  • DOI: 10.1016/j.nme.2018.07.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Systematic study of He induced nano-fiber formation of W and other period 6 transition metals (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueda Y.、Yamashita N.、Omori K.、Lee H.T.、Ibano K.、Ito A.M.
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 511 ページ: 605-609
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2018.04.024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Triple Hybrid Simulation Method for Tungsten Fuzzy Nanostructure Formation (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, and Hiroaki Nakamura
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automatic Kinetic Monte-Carlo Modeling for Impurity Atom Diffusion in Grain Boundary Structure of Tungsten Material (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Shuichi Kato, Arimichi Takayama, and Hiroaki Nakamura
  • 雑誌名: Nuclear Material and Energy 巻: 12 ページ: 353-360
  • DOI: 10.1016/j.nme.2017.04.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fractality and growth of He bubbles in metals (2017)
  • 著者名/発表者名: Shin Kajita, Atsushi M. Ito, Noriyasu Ohno
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 381 号: 29 ページ: 2355-2362
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2017.05.028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microwrinkle structures on refractory metal surfaces irradiated with noble gas plasma species (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, Y. Uesugi, A.M. Ito, M. Yajima, K. Yamada, S. Maenaka and K. Fujita
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 8 ページ: 086043-086043
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa75ee
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free Energy Reconstruction from Logarithmic Mean-Force Dynamics Using Multiple Nonequilibrium Trajectories (2017)
  • 著者名/発表者名: Morishita Tetsuya、Yonezawa Yasushige、Ito Atsushi M.
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 13 号: 7 ページ: 3106-3119
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00252
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison between helium plasma induced surface structures in group 5 (Nb, Ta) and group 6 elements (Mo, W) (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Omori, A. M. Ito, K. Shiga, N. Yamashita, K. Ibano, H. T. Lee, and Y. Ueda
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 121 号: 15 ページ: 155301-155301
  • DOI: 10.1063/1.4981128
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of tritium desorption by energetic ion bombardment from tungsten material (2016)
  • 著者名/発表者名: Shuichi Kato, Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Mamiko Sasao, Motoi Wada, and Hiroaki Nakamura
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 号: 1S ページ: 01AH11-01AH11
  • DOI: 10.7567/jjap.55.01ah11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Level-by-level Artificial Viscosity and Visualization for MHD Simulation with Adaptive Mesh Refinement (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu Hatori, Atsushi M. Ito, Masanori Nunami, Hideyuki Usui, and Hideaki Miura
  • 雑誌名: J. Compt. Phys. 巻: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics and Monte Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation (2015)
  • 著者名/発表者名: A.M. Ito, A. Takamyama, Y. Oda, T. Tamura, R. Kobayashi, T. Hattori, S. Ogata, N. Ohno, S. Kajita, M. Yajima, Y. Nojiri, Y. Yoshimoto, S. Saito, S. Takamura, T. Murashima, M. Miyamoto, H. Nakamura
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 号: 7 ページ: 073013-073013
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073013
  • 査読あり
• [学会発表] BCA-MD-KMC Multi-hybrid Simulation for Tungsten Nanostructure Formation under Helium Plasma Irradiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito
  • 学会等名: Joint meeting of the symposium on hierarchy and holism in natural sciences and US-Japan Joint Institute for Fusion Theory(JIFT) workshop on multiscale simulation in plasma physics
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Interatomic Potential Model toward Z-Universal Model for Plasma-Material Interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito
  • 学会等名: 11th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials 12th International Conference on Plasma-Nano Technology & Science
  • 国際学会
• [学会発表] 炭素材料のプラズマ反応素過程の分子シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of BCA-MD-KMC multi-hybrid simulation method for fuzzy nanostructure formation (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: The 23th International Conference on Plasma-Surface Interaction
  • 国際学会
• [学会発表] BCA-MD-KMC hybrid simulation for long time helium plasma irradiation inducing fuzzy nanostructure on tungsten (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling (MMM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] The growth of tungsten fuzzy nanostructure by BCA-MD-KMC multi-hybrid simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Incident Energy Dependence of Tungsten Fuzzy Nanostructure Formation under Helium Plasma Irradiation by Using BCA-MD-KMC Multi-Hybrid Simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: 27th International Toki Conference and 13th Asia Pacific Plasma Theory Conference
  • 国際学会
• [学会発表] マルチハイブリッドシミュレーションからみた 繊維状ナノ構造の発生機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 高山有道, 中村浩章
  • 学会等名: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] マルチハイブリッドシミュレーションによるプラズマ誘起繊維状ナノ構造形成現象の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 高山有道, 中村浩章
  • 学会等名: 第32回分子シミュレーション討論会
• [学会発表] ヘリウム照射金属ナノ構造形成のためのBCA-MD-KMCマルチハイブリッド法の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 高山有道, 中村浩章
  • 学会等名: 日本物理学会年会第73回年次大会
• [学会発表] 局所分子動力学を利用した動的モンテカルロ法の自動モデリングと粒界構造中の不純物拡散 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 高山有道, 中村浩章
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 炭素ダスト形成の分子動力学研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史
  • 学会等名: 「自然科学における階層と全体」シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋ルーセントタワー
  • 年月日: 2017-02-14
• [学会発表] プラズマ－物質相互作用のハイブリッドシミュレーション開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 高山有道, 小田泰丈, 加藤周一, 中村浩章
  • 学会等名: IFERC-CSC(国際核融合エネルギー研究センター-計算機シミュレーションセンター)研究会
  • 発表場所: ビジョンセンター東京
  • 年月日: 2017-01-10
• [学会発表] Triple Hybrid Simulation Method for Tungsten Fuzzy Nanostructure Formation (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: 26th International Toki Conference 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 局所分子動力学を用いた動的モンテカルロ用移動経路の自動構築 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 篤史, 加藤 周一, 高山 有道, 中村 浩章
  • 学会等名: 第7回計算統計物理学研究会
• [学会発表] 数式から相互作用ポテンシャル計算コードを自動生成するメタコンパイラ (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 吉本芳英
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 局所分子動力学を用いた動的モンテカルロ法の経路自動探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史,加藤周一
  • 学会等名: 第31回分子シミュレーション討論会
• [学会発表] ファズ構造形成過程に向けたマルチハイブリッドシミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamua
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] 分子動力学に向けた多体ポテンシャル関の自動コード生成を行うメタコンパイラDAMAの開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史
  • 学会等名: 第30回分子シミュレーション討論会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] Hybrid Simulations for Plasma-Material Interaction with OpenMX (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito
  • 学会等名: OpenMX Developer’s meeting
  • 発表場所: KAIST, Korea
  • 年月日: 2016-11-23
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-scale and hybrid simulationfor hydrogen and helium bombardment onto tungsten materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Shuichi Kato, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: U.S.-Japan workshop Heat Road and Plasma Material Interaction
  • 発表場所: U.C.Berkeley, U.S.
  • 年月日: 2016-11-07
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic scale hybrid simulationfor hydrogen and helium irradiation intoin tungsten material (2016)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, S. Kato, A. Takayama, and H. Nakamura
  • 学会等名: ITPA Topical Group Meetings SOL-Divertor
  • 発表場所: Naka, Japan
  • 年月日: 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] BCA-KMC Hybrid Simulation with Meta-Modeling for Hydrogen Dynamic Retention in Tungsten Material (2016)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, S. Kato and H. Nakamura
  • 学会等名: IAEA Fusion Energy Conference(IAEA-FEC2016)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] BCA-KMC Hybrid Simulation with Meta-Modeling for Hydrogen Dynamic Retention in Tungsten Material (2016)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, S. Kato, and H. Nakamura
  • 学会等名: The 26th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2016)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] マルチカノニカル分子動力学を用いたアモルファス炭素構造の分類 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 高山有道, 中村浩章
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] The BCA-KMC Hybrid Simulation for Hydrogen Retention in Tungsten Material (2016)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, S. Kato, A. Takayama, and H. Nakamura
  • 学会等名: International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices(MoD-PMI2016)
  • 発表場所: Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, United Kingdom
  • 年月日: 2016-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] The BCA-KMC Hybrid Simulation for Hydrogen Retention in Tungsten Material (2016)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, S. Kato, A. Takayama, and H. Nakamura
  • 学会等名: International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices 2016 (MoD-PMI2016)
  • 発表場所: Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, United Kingdom
  • 年月日: 2016-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrogen Isotope Diffusion on Grain Boundary with Kinetic Monte-Carlo Model Automatically Constructed from Molecular Dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. ITO, Shuichi KATO, Hiroaki NAKAMURA
  • 学会等名: 22th International Conference on Plasma Surface Interactions(PSI22)
  • 発表場所: Roma, Itary
  • 年月日: 2016-05-30
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrogen Isotope Diffusion on Grain Boundary with Kinetic Monte-Carlo Model Automatically Constructed from Molecular Dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, S. Kato, and H. Nakamura
  • 学会等名: 22th International Conference on Plasma-Surface Interaction
  • 発表場所: Roma, Italy
  • 年月日: 2016-05-30
  • 国際学会
• [学会発表] 水素および希ガスと各種金属原子間のポテンシャルモデル開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史, 加藤周一, 中村浩章
  • 学会等名: プラズマ核融合学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2015-11-24
• [学会発表] プラズマ－物質相互作用シミュレーションにおける入射フラックスと入射フルーエンス (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史
  • 学会等名: 第31回九州・山口プラズマ研究会
  • 発表場所: COCOLAND SPORTS&RESORT, 山口
  • 年月日: 2015-11-01
  • 招待講演
• [学会発表] BCA-kMC Hybrid Simulation for Hydrogen and Helium Implantation in Material under Plasma Irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kato, A. M. Ito, H. Nakamura, M. Sasao, M. Wada
  • 学会等名: 9th International Conference on Reactive Plasmas
  • 発表場所: Hawaii Convention Center, Hawaii, USA
  • 年月日: 2015-10-12
  • 国際学会
• [学会発表] ヘリウムプラズマ誘起ナノ構造のシミュレーションによる金属比較 (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] ヘリウム誘起繊維状ナノ構造形成に纏わる金属比較 (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤篤史
  • 学会等名: プラズマシミュレーターシンポジウム2015
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2015-09-03
  • 招待講演
• [学会発表] Fusion material simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, T. Murashima, T. Tamura, R. Kobayashi, A. Takayama, S. Kajita, S. Takamura, N. Ohno, M. Yajima, Y. Yoshimoto, S. Ogata, S.Kato, and H. Nakamura
  • 学会等名: Innovations and co-designs of fusion simulations towards extreme scale computing
  • 発表場所: Nagoya University, Nagoya, Japan
  • 年月日: 2015-08-20
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-Material Interaction: Fuzzy Nanostructure Formation by Helium Plasma Irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Takahiro Murashima, Arimichi Takayama, Tomoyuki Tamura, Ryo Kobayashi, Shin Kajita, Shuichi Takamura, Noriyasu Ohno, Miyuki Yajima, Yoshihide Yoshimoto, Shuji Ogata, and Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: International workshop on Warm Dense Matter
  • 発表場所: Kurashiki, Japan
  • 年月日: 2015-06-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Tungsten Fuzzy Nanostructure Growth by Molecular Dynamics and Monte-Carlo Hybrid Simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: A. M. Ito, T. Murashima, T. Tamura, R. Kobayashi, A. Takayama, S. Kajita, s. Takamura, N. Ohno, M. Yajima, Y. Yoshimoto, S. Ogata, and H. Nakamura
  • 学会等名: International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices 2015(MoD-PMI2015)
  • 発表場所: Marseille, France
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] プラズマシミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: プラズマ・核融合学会
  • 総ページ数: 404
  • 出版者: 京都大学学術出版会
  • ISBN: 9784814001835
• [備考] http://www-fps.nifs.ac.jp/ito/
• [備考] Atsushi M. Ito web
• [備考] http://www-fps.nifs.ac.jp/ito/
• [備考] Atsushi M. Ito web (所属研究機関の研究者個人ホームページ
  • URL: http://www-fps.nifs.ac.jp/ito/
• [産業財産権] 数式処理方法 (2016)
  • 発明者名: 伊藤 篤史
  • 権利者名: 伊藤 篤史
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2016-180966
  • 出願年月日: 2016-09-15