局在化軌道を活用した高速化第一原理分子動力学法の開発と結晶成長の原子制御への応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750002
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 久保 百司 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90241538)
• キーワード: 局在化軌道 / 高速化第一原理分子動力学法 / 結晶成長 / 原子制御 / 化学反応 / 電子移動 / 薄膜 / ハイブリッド

研究概要

研究代表者は、結晶成長過程のシミュレーションの重要性をいち早く認識し、世界に先駆けて酸化物のエピタキシャル成長をシミュレーションすることが可能な分子動力学計算プログラムを開発した。しかし、上記の方法では表面化学反応や電子移動を伴う結晶成長プロセスを解明することはできない。それを可能とする手段として第一原理分子動力学法が存在するが、実際には計算時間の関係上、結晶成長シミュレーションを行うことは全く不可能である。そこで、本研究では局在化軌道を活用した高速な第一原理量子分子動力学計算手法を開発することを目的とする。
昨年度は、局在化軌道を用いた高速化アルゴリズムの定式化に成功し、実際に研究代表者らが開発済みの量子分子動力学計算プログラムに組み込むことに成功した。さらに上記プログラムに基づく結晶成長シミュレータの開発にも成功した。また本年度は、更なる高速計算を実現するために、古典分子動力学法とのハイブリッド化を実現させたハイブリッド局在化軌道量子分子動力学計算プログラムの開発に成功した。結晶成長シミュレーションにおいては、化学反応が起こるのは基板表面のみであり、基板下部は基板の結晶構造の維持や温度を保つための熱浴としての意味しか持たない。そこで、基板下部を古典分子動力学法で、基板上部を局在化軌道量子分子動力学法で扱うことによって、さらなる高速計算を実現させた。また、上記の開発プログラムをMgO薄膜の結晶成長や酸化物基板上の金属微粒子膜の成長など様々な材料の結晶成長シミュレーションに応用することに成功した。

研究成果

• [文献書誌] K.Sasata et al.: "Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulation on the Plasma Etching Processes"Japanese Journal of Applied Physics. (印刷中).
• [文献書誌] T.Yokosuka et al.: "Quantum Chemical Molecular Dynamics Studies on the Chemical Mechanical Polishing Process of Cu Surface"Japanese Journal of Applied Physics. (印刷中).
• [文献書誌] M.S.Elanany et al.: "A Quantum Mdecular Dynamics Simulation Study of the Hydrolysis Step in Sol-Gel Synthesis"The Journal of Physical Chemistry B. (印刷中).
• [文献書誌] T.Yokosuka et al.: "A Theoretical Study on the Realistic low Concentration Doping in Silicon Semiconductors by Accelerated Quantum Chemical Molecular Dynamics Method"Japanese Journal of Applied Physics. (印刷中).
• [文献書誌] K.Suzuki et al.: "Tight-Birding Quantum Chemical Molecular Dynamics Study of a Cathode Materials for Lithium Secondary Battery"Solid State Ionics. (印刷中).
• [文献書誌] M.Kubo et al.: "Theoretical Design of MgO Protective Layer for Plasma Display by Accelerated Quantum Chemical Molecular Dynamics Approach"Proceedings of 9th International Display Workshops. 753-756 (2002)