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局所構造記述子を用いた複合欠陥含有誘電体材料の解析と設計手法の探索

公募研究

研究領域超秩序構造が創造する物性科学
研究課題/領域番号 21H05560
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関名古屋大学

研究代表者

旭 良司  名古屋大学, 未来社会創造機構, 教授 (80394625)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円)
2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2021年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
キーワード誘電体材料 / ドーピング / 第一原理計算 / 機械学習 / 複合欠陥 / 材料探索
研究開始時の研究の概要

近年、巨大な比誘電率(>1000)を示す材料がいくつか報告され、物性発現の学術的興味および応用への期待から注目されている。本研究は、複合欠陥を含む誘電体材料に着目し、その特異構造と誘電特性の相関を系統的な計算によって解析し、ミクロコピックな起源を理解する。さらに局所構造と誘電特性をデータベース化し、新規な誘電体材料を発見するための手法を構築する。具体的には、①第一原理計算による詳細解析、②局所構造の記述子の導入、③結晶構造グラフネットワークモデルによる材料探索技術の構築、について段階的に検討する。

研究実績の概要

共ドープさせたルチル型酸化物TiO2, SiO2, SnO2の誘電率を第一原理計算によって計算した結果、比較的安定かつ誘電率の高いTi系酸化物が存在することが分かった。誘電率が増大する起源を解明するために、機械学習によって予測モデルを構築し、誘電率との相関を詳細に調べた結果、ある特定のTi-O結合距離で誘電率が増大することを見出した。静水圧下のルチルTiO2結晶における誘電率やフォノンモードの変化と比較した結果、誘電率の増大が局所構造の歪に伴う結合のソフト化に起因していることを見出した。以上の結果は、Scientific Reportsに論文公表した。
上記誘電率増大の指針をもとに、種々の2元系酸化物材料に対して静水圧下での誘電率の変化を調査した。その結果、Ti-Oに加えて、Ba-OおよびPb-Oに対して、結合距離の増大に伴うソフト化と誘電率増大の可能性を得た。そこで新規なBa系酸化物を基本とする材料探索を行った。その際、等方的な誘電率を狙い、AサイトがBa、Sr、CaであるBサイト秩序型ダブルペロブスカイト構造A2B’B”O6(ここでB’、B”イオンの価数の和が8)に着目し、約1500のB’とB”の組み合わせに対してハイスループット計算を行った。その結果、Ba系において、バンドギャップが1eV以上、誘電率が100以上の安定構造をいくつか発見することができた。
本研究によって、巨大誘電率発現につながる局所構造を見出すことができた。また、その局所構造の制御を指針として、可能性ある材料を提案することができた。今後はこれらの成果を基盤に、新規な巨大誘電体材料の実現に向けて研究をさらに発展させる予定。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Permittivity boosting by induced strain from local doping in titanates from first principles2023

    • 著者名/発表者名
      Kutana Alex、Shimano Yuho、Asahi Ryoji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 3761-3761

    • DOI

      10.1038/s41598-023-30965-6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Automatic knowledge acquisition from superconductivity information in literature2023

    • 著者名/発表者名
      Mitsui Kento、Sasaki Yutaka、Asahi Ryoji
    • 雑誌名

      Science and Technology of Advanced Materials: Methods

      巻: 3 号: 1 ページ: 2206532-2206532

    • DOI

      10.1080/27660400.2023.2206532

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Polymorphs of Titanium Dioxide: An Assessment of the Variants of Projector Augmented Wave Potential of Titanium on their Geometric and Dielectric Properties2023

    • 著者名/発表者名
      Pradeep Varadwaj, Van An Dinh, Yoshiaki Morikawa, Ryoji Asahi
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 局所構造制御による機能性材料設計2023

    • 著者名/発表者名
      Ryoji Asahi
    • 学会等名
      固体イオニクス研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Materials design of dielectric oxides by high throughput simulations and machine learning2023

    • 著者名/発表者名
      Alex Kutana, Yuho Shimano, Ryoji Asahi
    • 学会等名
      The 3rd Symposium on Socio-technical Innovation for Zero Carbon in Asian Countries
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Discovering large dielectric constant materials with graph neural networks2022

    • 著者名/発表者名
      Alex Kutana, Yuho Shimano, Ryoji Asahi
    • 学会等名
      Psi-K conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Titanium Dioxide (TiO2) and Its Polymorphs: An Assessment of the Variants of Projector Augmented Wave (PAW) Potential of Ti on Its Geometric, Electronic, Mechanical, Dynamical and Optical Properties2022

    • 著者名/発表者名
      Pradeep Risikrishna Varadwaj, Yuho Shimano, Ryoji Asahi
    • 学会等名
      International Conference on Material Science and Engineering Technology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Alloy design based on first-principles calculations from deductive to inductive approach2022

    • 著者名/発表者名
      Ryoji Asahi
    • 学会等名
      SIPS 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] グラフニューラルネットワークを利用した機能性無機材料の探索2022

    • 著者名/発表者名
      Ryoji Asahi
    • 学会等名
      日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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