| 研究課題/領域番号 |
21K14591
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分32010:基礎物理化学関連
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| 研究機関 | 京都大学 (2023)
早稲田大学 (2021-2022) |
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研究代表者 |
浦谷 浩輝 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (50897296)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | 励起状態 / 半導体 / ダイナミクス / 量子化学 / 計算化学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
励起状態の物質のダイナミクスは基礎応用両面から重要な対象である。半導体材料等においては、励起に伴う電子状態変化が数ナノメートル程度の空間的範囲にわたって広がる非局所的励起状態がしばしばみられる。
励起状態の計算化学的シミュレーションにおいては、計算に要する時間が系の大きさに対して急激に増大するという性質のため、非局所的励起状態を扱うことは困難であった。
本研究では、系の大きさに対する計算時間の増大を抑えた励起状態ダイナミクス計算手法を開発し、非局所的励起状態ダイナミクスのシミュレーションを現実的な時間で実行可能とすることを目指す。また、当該手法を半導体の動作機構解明や材料設計に応用する。
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| 研究成果の概要 |
分子や固体結晶などの光励起に伴うダイナミックな振舞いの詳細な理解は、基礎応用両面から重要なテーマである。量子化学に基づく計算機シミュレーションはこのための有力な手段であるが、計算に時間がかかることが課題であった。本研究では、電子ハミルトニアンが持つ局所性を利用することで計算を高速化するpatchwork approximationという近似手法を考案し、大規模な系の光励起状態ダイナミクスを現実的な計算時間で追跡するシミュレーション手法を開発した。また、これを応用することで、有機太陽電池において光励起状態からプラスとマイナスの電荷が生み出されるプロセス（電荷分離）を詳細に解析した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
太陽電池や光触媒に代表される光エネルギー利用は人類にとって重要な課題であるものの、エネルギーの利用効率をはじめ、解決すべき課題は多い。これらの課題を解決するには、光照射下における物質の振舞いの詳細な観察と理解に基づく、合理的な物質設計が必要不可欠である。本研究により、実際の太陽電池や光触媒等に近いモデルを用いた計算機シミュレーションが現実的な時間で実行できるようになった。これを応用することで、光エネルギーを電力や化学エネルギーに変換する過程を、これまで以上にミクロな視点で理解することが可能となる。これにより、効率的な光エネルギー利用に向けた物質設計の指針を提供できるものと期待される。
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