情報科学による機能コア計算設計

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 機能コアの材料科学
• 研究課題/領域番号: 19H05787
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 溝口 照康 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (70422334)
• 研究分担者: 世古 敦人 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10452319) ; 豊浦 和明 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60590172) ; 柴田 基洋 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (40780151)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• キーワード: 機能コア / 界面 / 表面 / 転位 / 機械学習 / 第一原理計算 / 計測インフォマティックス / プロセスインフォマティックス

研究実績の概要

機能コアは格子欠陥が持つ幾何学的な自由度と外場の影響に伴う構造変化の自由度のため，その構造機能相関を理解することは容易ではない．本計画班は情報科学手法を活用した手法開発により機能コア開発を加速させる役割を担う．
2023年度において，これまでと同様に様々な系における機械学習ポテンシャルを開発し，Repositoryへの公開を続けている．また，第一原理計算結果より機械学習ポテンシャルを構築するためのコードpypolymlpをgithubに公開した．また，機械学習ポテンシャルを用いた機能コア解析において，局所安定に収束する可能性が高いため，大域的結晶構造探索手法や有限温度における熱力学量計算手法を新たに提案した．準安定構造が多く存在する機能コアにおいても，効率的かつ探索範囲の広い結晶構造探索が可能となった．さらに，熱力学計算手法開発と並行し，力定数計算のためのコードsymfcの公開を行った．
また，イオン機能コアの理論解析のための手法開発も続け，大域最適化アルゴリズムDIRECTと勾配法による局所最適化を融合した決定論的な大域的構造探索手法を開発し，従来法よりもはるかに優位であることを明らかにした．また，イオン機能コアの拡散評価手法を新たに開発した．これは，加速MD法のひとつであるmetadynamics法を活用したものであり，イオン機能コアの原子ジャンプ頻度や拡散係数を効率的に見積もることができる．また，プロセス班とも連携し，イオン機能コアのドーパントとその配置効果を第一原理計算によって明らかにした．
さらに，計測との連携も深め，XANES/ELNESから，価電子帯の情報を抽出できることを明らかにし，一本のスペクトルから，価電子帯と伝導帯の両方の電子構造を取得可能な手法を開発した．2023年度においてはプロセスインフォマティックスに関するアプローチも実践し，機能コア効果を利用した新たな新規物質の探索も達成している．

現在までの達成度 (段落)

令和5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5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] Draham University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Draham University
• [国際共同研究] POSTECH/Yonsei Unviersity/Pusan National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: POSTECH/Yonsei Unviersity/Pusan National University
• [国際共同研究] ORNL(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ORNL
• [国際共同研究] TelAviv University(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: TelAviv University
• [雑誌論文] Full automation of point defect detection in transition metal dichalcogenides through a dual mode deep learning algorithm (2024)
  • 著者名/発表者名: Dong-Hwan Yang, Yu-Seong Chu, Odongo Francis Ngome Okello, Seung-Young Seo, Gunho Moon, Kwang Ho Kim, Moon-Ho Jo, Dongwon Shin, Teruyasu Mizoguchi, Sejung Yang, Si-Young Choi
  • 雑誌名: Mater. Horizon, 巻: 11 ページ: 747-757
  • DOI: 10.1039/D3MH01500A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomistic Probing of Defect-Engineered 2H-MoTe2 Monolayers (2024)
  • 著者名/発表者名: O. Okello, SY. Seo, J. Park, DH. Yang, D. Shin, YS. Chu, S. Yang, T. Mizoguchi, MH. Jo; SY. Choi
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 18 ページ: 6927-6935
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c08606
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lightweight and high-precision materials property prediction using pre-trained Graph Neural Networks and its application to small dataset (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Nishio, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp. 巻: 17 ページ: 037002-1-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad2a06
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Combinatorial characterization of metastable luminous silver cations (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Masai, M. Koshimizu, H. Kawamoto, S. Maruyama, Y. Matsumoto, C. Takahashi, H. Setoyama, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 ページ: 4638-1-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] LCAONet: Message-passing with physically optimized atomic basis functions (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Nishio, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: arXiv 巻: 2402 ページ: 11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic Chemical Characterization of Epoxy Resin with Scanning Transmission Electron Microscopy & Electron Energy-Loss Spectroscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Huang, T. Miyata, Y. Sato, T. Mizoguchi, H. Jinnai, and K. Yoshida
  • 雑誌名: Micron 巻: 180 ページ: 103623-1-10
  • DOI: 10.1016/j.micron.2024.103623
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of inorganic material surface chemistry on structures and fracture behaviours of epoxy resin (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Miyata, Y. Sato, HF, Wang, A. Kumagai, Y. Kawagoe, K. Shirasu, S. Kinoshita, K. Yoshida, HH Huang, T. Okabe, M. Mizukami, K. Hagita, T. Mizoguchi, and H. Jinnnai
  • 雑誌名: Nature Comm 巻: 15 ページ: 1898-1-12
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A defect formation mechanism induced by structural reconstruction of a well-known silicon grain boundary (2023)
  • 著者名/発表者名: YS. Xie, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: Acta Mater. 巻: 250 ページ: 118827-1-11
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2023.118827
  • 査読あり
• [雑誌論文] A guideline for searching for stable grain boundary structure by utilizing crystallographic information: a method based on non-identical termination (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Hata, YS. Xie, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn. 巻: 131 ページ: 738-745
  • DOI: 10.2109/jcersj2.23019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile strength of a transverse grain boundary in a single-walled carbon nanotube (2023)
  • 著者名/発表者名: YS. Xie, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn. 巻: 131 ページ: 621-627
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible New Graphite Intercalation Compounds for Superconductors and Charge Density Wave Materials: Systematic Simulations with Various Intercalants Using a van der Waals Density Functional Method (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Kawaguchi, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 127 ページ: 9833-9843
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c01073
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction of the Ground State Electronic Structure from Core-loss Spectra of Organic Molecules by Machine Learning (2023)
  • 著者名/発表者名: PY. Chen, K. Shibata, K. Hagita, T. Miyata, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 14 ページ: 4858-4865
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00142
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Twist-induced interlayer charge buildup in a WS2 bilayer revealed by electron Compton scattering and density functional theory (2023)
  • 著者名/発表者名: A Talmantaite, Y Xie, A Cohen, PK Mohapatra, A Ismach, T Mizoguchi, SJ Clark, BG Mendis
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 107 ページ: 235424-1-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Lee, S. Song, H. Kim, K. Nomoto, H. Kim, X. Sun, S. Hori, K. Suzuki, N. Matsui, M. Hirayama, T. Mizoguchi, T. Saito, T. Kamiyama, and R. Kanno
  • 雑誌名: Science 巻: 381 ページ: 50-53
  • DOI: 10.1126/science.add7138
  • 査読あり
• [雑誌論文] 機械学習を活用した界面および表面の構造解析と物性予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 雑誌名: セラミックス 巻: Vol.58, 11月号 ページ: 732-736
  • 査読あり
• [雑誌論文] 機械学習を利用した電子・X線分光からの物性予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 雑誌名: 科学と工業 巻: Vol.97,12月号 ページ: 357-364.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient global crystal structure prediction using polynomial machine learning potential in the binary Al-Cu alloy system (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Wakai, A. Seko, I. Tanaka
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Japan 巻: 131 ページ: 762-766
  • DOI: 10.2109/jcersj2.23053
  • 査読あり
• [雑誌論文] Global structure optimization following imaginary phonon modes accelerated by machine learning potentials in Cu, Ag, and Au (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Naruse, A. Seko, I. Tanaka
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Japan 巻: 131 ページ: 746-750
  • DOI: 10.2109/jcersj2.23056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic development of polynomial machine learning potentials for elemental and alloy systems, (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Seko, Tutorial:
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 133 ページ: 011101
  • DOI: 10.1063/5.0129045
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure search method for atomic clusters based on the dividing rectangles algorithm, (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Kanayama, A. Seko, K. Toyoura
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 108 ページ: 035303-1-13
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.108.035303
  • 査読あり
• [雑誌論文] A kinetic Monte Carlo study for Haven ratio of proton transport in perovskite ceramics, (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoura, T. Takahashi
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn. 巻: 131 ページ: 731-737
  • DOI: 10.2109/jcersj2.23020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multihill strategy in metadynamics for interstitial diffusion in crystals, (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 108 ページ: 134113-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.134113
  • 査読あり
• [学会発表] 機械学習と第一原理計算，原子分解能計測を活用した無機材料解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 固体化学フォーラム，京都大学桂キャンパス, 京都
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算と機械学習による物質探索とナノ構造解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: RIST材料系ワークショップ，秋葉原, 東京
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習を活用した物質の分析と探索 (2024)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 分析イノベーション交流会，東京たま未来メッセ, 八王子
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算を用いたねじれ二層グラフェンにおけるイオンインターカレーションに関する研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: Yebin Lee, 柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 日本金属学会2024春季大会，東京理科大学，東京
• [学会発表] 異方性を考慮したグラフニューラルネットワークの開発：異方的ELNES/XANESスペクトル予測への利用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 応用物理学会2024春季大会，東京都市大学，東京
• [学会発表] 拡散モデルを用いた回転に対する同変・不変量の同時生成による結晶構造生成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 高原泉，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 応用物理学会2024春季大会，東京都市大学，東京
• [学会発表] 機械学習と分光法を用いた物質解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 第194回電子セラミック・プロセス研究会，TKPガーデンシティPREMIUM名古屋駅前，名古屋
  • 招待講演
• [学会発表] Application of Machine Learning for Nano-Characterization (2023)
  • 著者名/発表者名: Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: NanoKorea 2023，KINTEX, Seoul，Republic of Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 機械学習を用いたXAFS/EELS解析と表面物性予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 第61回オーロラセミナー，北海道大学触媒科学研究所，北海道
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習を用いたXAFS/EELS解析と表面物性予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 第17回固体イオニクスセミナー第５回若手勉強会，山形ルーセントタカミヤ，山形
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代放射光 × 情報科学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 東大が導く次世代放射光サイエンス，東京大学弥生講堂
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習を活用したXAFSスペクトルからの情報抽出 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 第9回SPring-8先端放射光技術による化学イノベーション研究会，品川AP
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習と原子分解能計測，第一原理計算を複合利用したナノ構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 東レセミナー，オンライン
  • 招待講演
• [学会発表] Unlocking the power of EELS via machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: ICAE 2023，Jeju, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Materials Characterization using DFT simulation, STEM-EELS, and machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: Dong-A University Seminor，Busan, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 情報科学が拓くEELS解析のフロンティア (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会シンポジウム・関東支部会講演会，高崎, 群馬
  • 招待講演
• [学会発表] Artificial Intelligence for EELS/XAFS (2023)
  • 著者名/発表者名: Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: PRICM 2023，Jeju, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 一次元記述子と機械学習による表面とスペクトル解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 第４６回ケモインフォマティクス討論会，中央大学, 東京
  • 招待講演
• [学会発表] CASTEPを利用したELNES/XANESデータベースの作成と機械学習を活用したスペクトル解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: BIOVIA ユーザーズグループミーティング，品川, 東京
  • 招待講演
• [学会発表] 金属ナノクラスター設計のための電子状態密度の特徴解析と予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 日本MRS-J，横浜, 神奈川
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算と電子顕微鏡，情報科学を用いた物質研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 東京理科大学特別講義，葛飾, 東京
  • 招待講演
• [学会発表] Machine learning for functional core characterization (2023)
  • 著者名/発表者名: Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: Materials Research Meeting (MRM) 2023，京都国際会館, 京都
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 機械学習と理論計算によるEELSからの情報抽出 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口照康
  • 学会等名: 顕微インフォマティクス研究会第５回研究会，駒場, 東京
  • 招待講演
• [学会発表] First-principles study on moir & ionics: Ion intercalation in twisted bilayer graphene (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Lee, N. Kawaguchi, Y. Xie, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 学会等名: Workshop on Functional Materials Science (FMS2023), Busan, Korea
  • 国際学会
• [学会発表] Implementation of Code to Calculate Crystal Orbital overlap population (COOP) and its Application to the Chemical-Bonding Analysis in Li-intercalated Layered Materials (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Takahara, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 学会等名: FHI-aims developper’s meeting, 2023, Hamburg, Germany
  • 国際学会
• [学会発表] First principles calculation of electron energy-loss near edge structure of twisted 2D van der Waals structures (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Lee, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 学会等名: International Microscopy Congress (IMC20), Busan, Korea. I. Takahara, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 国際学会
• [学会発表] Data-Driven Approach for the Prediction of Ground State Electronic Density of States with Electron Energy Loss Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Takahara, K. Shibata, and T. Mizoguchi
  • 学会等名: International Microscopy Congress (IMC20), 2023, Busan, Korea.
  • 国際学会
• [学会発表] Database construction and machine learning prediction of site specific carbon K edge core-loss spectra (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata and T. Mizoguchi
  • 学会等名: International Microscopy Congress (IMC20), 2023, Sep. 13, Busan, Korea.
  • 国際学会
• [学会発表] Extracting Physics from Database with Systematic DFT Calculations: Intercalation Energies of Layered Intercalation Compounds with Various Ions (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Kawaguchi, Kiyou Shibata, Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit, Boston, MA, USA,2023
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction of forces and energy based on rotational invariant spherical representations (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Nishio, Kiyou Shibata, Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit, Boston, MA, USA,2023
  • 国際学会
• [学会発表] Design of Intercalant-Induced Function of Layered Intercalation Compounds via DFT Simulation and Machine Learning (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Kawaguchi, Kiyou Shibata, Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: MRM 2023, Kyoto, Japan, 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring Ground State Electronic Structure of materials through ELNES/XANES Spectra or SMILES Strings via machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: PY. Chen, Kiyou Shibata, Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: MRM 2023, Kyoto, Japan, 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Message Passing Neural Network for Predicting Dipole Moment Dependent Core Electron Excitation Spectra (2023)
  • 著者名/発表者名: Kiyou Shibata, Teruyasu Mizoguchi
  • 学会等名: NeurIPS AI4Mat workshop, New Orleans, LA, USA,2023
  • 国際学会
• [学会発表] 基底関数を最適化したグラフニューラルネットワークによる回転不変物性の予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 西尾健人，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 物質の逆設計に向けた深層生成モデルの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高原泉，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 第一原理計算によるモアレイオニクスの開拓 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yebin Lee，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] インターカレーション化合物の化学結合解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 福沢源，高原泉，川口直登，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 化学結合データベースの作成と機械学習による予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中川諒紀，高原泉，西尾健人，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 機械学習を利用したELNES/XANESおよびSMILESに基づく電子構造の予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: Poyen Chen，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 層間化合物のデータベース構築とインターカラントを機能コアとした物質設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川口直登，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 炭素K端スペクトルのデータベース構築とグラフニューラルネットワークによる予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 柴田基洋，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 新学術領域研究「機能コアの材料科学」若手の会，東京
• [学会発表] 事前学習済みグラフニューラルネットワークを活用した小規模データセットに対する材料物性予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 西尾健人，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 日本金属学会2023年秋季大会，富山大学，富山
• [学会発表] 機械学習を用いた内殻電子励起スペクトルからの基底状態原子・電子構造解析法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高原泉，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: 日本金属学会2023年秋季大会，富山大学，富山
• [学会発表] 結晶構造の生成モデリングおよびメトリクスの検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高原泉，柴田基洋，溝口照康
  • 学会等名: ケモインフォマティクス討論会2023，中央大学，東京
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.edge.iis.u-tokyo.ac.jp/