デバイス固着のハンダ割れ抑制に関する計算科学的研究

• 研究課題/領域番号: 18J12653
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 市場 友宏 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2019年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 第一原理計算 / イオン拡散 / 自己拡散係数 / 光触媒 / 量子モンテカルロ法 / 無鉛ハンダ / 密度汎関数法 / 数理モデリング

研究実績の概要

まずは、これまでの研究の流れについて簡潔に説明する。採用期間の前半には、無鉛ハンダ中の空隙形成に関係する、銅イオンの自己拡散メカニズム解明に取り組んだ。その中で「自己拡散係数を第一原理評価する汎用スキームを確立する」という研究成果が得られ、これについて英国化学会誌に原著論文として発表した。本年度を含む採用期間の後半には、当該スキームの普及を目指し、「二酸化チタン内部および表面におけるイオン輸送」の問題に、注目度の高い好適用対象と考えて取り組んできた。結果的に、自己拡散係数評価には至らなかったが、実験結果を理論的に説明する興味深い計算結果が得られ、これについて米国物理学会誌に原著論文として発表することができた。

以下では後者の成果の概要を述べる: 　二酸化チタンは、光触媒や太陽光電池などへの応用で優れたエネルギー変換効率を実現するなど、近年、最も注目度の高い材料の一つである。当該系表面における酸素、チタンイオンの拡散は、電荷輸送や欠陥密度変化に伴う表面物性の変化と密接に関係していることから、実験、第一原理シミュレーションの両面から精力的に調べられている。しかしながら、固体中でどちらが早く拡散するかすら結論が得られていない難問である。その一つの理由として、遷移金属特有の強い電子相関を普及法である密度汎関数法では記述しきれないことが挙げられる。よって、本研究では、最も信頼性の高い量子モンテカルロ法で障壁エネルギーを予見し、イオン拡散メカニズムを調べた。その結果、従来の予見を覆し、チタンイオンが(110)表面よりも(001)表面に向かって早く拡散することを見出した。このことは、光触媒反応に伴う表面状態の劣化が(001)表面でより早く修復されることを意味し、「(001)表面は(110)表面よりも高い光触媒活性を有する」という実験事実を説明する一つの有力な学説を提示できたといえる。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Argonne National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] ケンブリッジ大学/化学科(英国)
• [国際共同研究] 吉林大学/物理学科(中国)
• [国際共同研究] アルゴンヌ研究所/計算科学部門(米国)
• [雑誌論文] Inconsistencies in ab initio evaluations of non-additive contributions of DNA stacking energies<t.gif> (2020)
  • 著者名/発表者名: Ken Sinkou Qin, Tom Ichibha, *Kenta Hongo, and Ryo Maezono
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 529 ページ: 110554-110554
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2019.110554
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two‐Dimensional Perovskite Oxynitride K2LaTa2O6N with an H+/K+?Exchangeability in Aqueous Solution to Form Stable Photocatalyst for Visible‐Light H2?Evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Oshima Takayoshi、Ichibha Tom、Oqmhula Kenji、Hibino Keisuke、Mogi Hiroto、Yamashita Shunsuke、Fujii Kotaro、Miseki Yugo、Hongo Kenta、Lu Daling、Maezono Ryo、Sayama Kazuhiro、Yashima Masatomo、Kimoto Koji、Kato Hideki、Kakihana Masato、Kageyama Hiroshi、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: - 号: 24 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1002/ange.202002534
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ab initio search of polymer crystals with high thermal conductivity (2019)
  • 著者名/発表者名: *Keishu Utimula, Tom Ichibha, Ryo Maezono, *Kenta Hongo
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 31 号: 13 ページ: 4649-4656
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b00020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ti interstitial flows giving rutile TiO 2 reoxidation process enhancement in (001) surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Tom Ichibha, Anouar Benali, Kenta Hongo, Ryo Maezono
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 12 ページ: 125801-125801
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.125801
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A new ab initio modeling scheme for the ion self-diffusion coefficient applied to the ε-Cu3Sn phase of the Cu-Sn alloy (2019)
  • 著者名/発表者名: Ichibha Tom、Prayogo Genki、Hongo Kenta、Maezono Ryo
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 21 号: 9 ページ: 5158-5164
  • DOI: 10.1039/c8cp06271d
  • NAID: 130008155471
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Undoped Layered Perovskite Oxynitride Li2LaTa2O6N for Photocatalytic CO2 Reduction with Visible Light (2018)
  • 著者名/発表者名: Oshima, T.、 Ichibha, T、Qin K, S、Muraoka, K.、Vequizo, J. J. M.、Hibino, K.、Kuriki, R.、Yamashita, S.、Hongo, K.、Uchiyama, T.、Fujii, K.、Lu, D.、Maezono, R.、Yamakata, A.、Kato, H.、Kimoto, K.、Yashima, M.、Uchimoto, Y.、Kakihana, M.、Ishitani, O.、Kageyama, H.、Maeda, K.
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 57 号: 27 ページ: 8154-8158
  • DOI: 10.1002/anie.201803931
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Light Absorption Properties and Electronic Band Structures of Lead Titanium Oxyfluoride Photocatalysts Pb2Ti4O9F2 and Pb2Ti2O5.4F1.2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakayama Haruki、Utimula Keishu、Ichibha Tom、Kuriki Ryo、Hongo Kenta、Maezono Ryo、Oka Kengo、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 号: 46 ページ: 26506-26511
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08953
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Anisotropic Ti ionic diffusion giving the anisotropic photo-reactivity in rutile TiO2: A Diffusion Monte Carlo Study (2020)
  • 著者名/発表者名: Tom Ichibha, Anouar Benali, Kenta Hongo, and Ryo Maezono
  • 学会等名: APS March Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum annealing applied to ionic diffusion analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishu Uchimura, Tom Ichibha, Kousuke Nakano, Kenta Hongo, Ryo Maezono
  • 学会等名: APS March Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] A diffusion Monte Carlo study on a mechanism of point defects diffusion in the rutile TiO2 bulk (2019)
  • 著者名/発表者名: Tom Ichibha, Anouar Benali, Kenta Hongo, and Ryo Maezono
  • 学会等名: The European Advanced Materials Congress 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A diffusion Monte Carlo study of point defect diffusion in rutile TiO2 bulk (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Ichibha, A. Benali, K. Hongo, and R. Maezono
  • 学会等名: APS March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Post Analyses of QMC Markov Chains Revisited (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ichibha, G. Prayogo, K. Hongo, and R. Maezono
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Post Analyses of QMC Markov Chains Revisited (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ichibha, K. Hongo, R. Maezono, and A.J.W. Thom
  • 学会等名: E-CAM Workshops
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A New Ab Initio Modeling Scheme for Ion Self-Diffusion Coefficient Applied to ε-Cu3Sn Phase of Cu-Sn Alloy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ichibha, G. Prayogo, K. Hongo, and R. Maezono
  • 学会等名: 2018 MRS Fall Meeting
  • 国際学会
• [備考] HANDE
  • URL: http://www.hande.org.uk
• [備考] Ma Group
  • URL: http://mym.calypso.cn
• [備考] Argonne Leadership Computing Facility
  • URL: https://www.alcf.anl.gov