| 研究課題/領域番号 |
16H02387
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
大谷 博司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70176923)
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| 研究分担者 |
飯久保 智 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (40414594)
徳永 辰也 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40457453)
榎木 勝徳 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60622595)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 状態図 / 遺伝的アルゴリズム / 第一原理計算 |
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| 研究実績の概要 |
状態図は，物質の状態や相平衡の情報をもたらし，材料開発における重要な役割を担っている．近年，第一原理計算による原子配置や格子振動のエントロピーの計算手法が確立され，有限温度の物性値を計算状態図に応用することが可能になってきた．一方，第一原理計算は構造と原子番号の情報が必要であり，実験により同定された結晶構造の情報が不可欠であるため，未知の系においてその安定構造を予測することが困難であった．そこで本研究ではConvex hullを用いた第一原理計算ベースの基底状態解析により，目的の相が他の相に対して有する相対的安定性を計算する手法と準安定性を克服する方法論の開拓に取り組むことを目的としている．H28年度はAl-Cu, Fe-B, Mo-B, Fe-Mo二元系，さらにFe-Mo-B三元系を対象として，理論状態図の作成を行った．構造のエネルギー計算には第一原理計算コードVASPを用い，その結果から遺伝的アルゴリズムによって安定・準安定構造を探索した．得られた各構造のエネルギーから，エネルギーの最も低い構造を結んだconvex-hullを求め，安定構造を特定した．さらに，その安定構造とconvex-hull近傍の準安定構造に対し，格子振動の効果を導入することで有限温度での自由エネルギーを計算し，各温度での安定構造の同定を行った．Fe-B２元系において，構造探索を行った結果はデータベースと概ね一致した．また系の温度依存性計算においても実験状態図と比較して矛盾しない結果が得られた．このことから，化学量論化合物だけが出現する系についてはこの手法を用いて系の状態図を表現できる可能性が示された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
Fe-B，Mo-B，Fe-Mo，Al-Cu２元系，更に，Fe-Mo-B３元系において遺伝的アルゴリズムを活用した構造探索を行い，探索された構造，もしくは既知の構造に関して格子振動を考慮したエネルギーの温度依存性計算を行った．その結果から各系における構造の安定性を評価し，以下の知見を得た．すなわち，遺伝的アルゴリズムを用いた構造探索によって全組成範囲の構造探索を行う場合には，組成を固定した構造探索の場合と比較して各世代の中の個体数を適度に多く設定する必要があることが明らかになった．またMo-B，Fe-Mo，Al-Cu２元系の温度依存性計算から，固溶幅を示す化合物が存在する系については，格子振動の効果だけでなく，高温で影響が大きくなる混合のエントロピーなどを考慮する必要があることもわかった．Fe-Mo-B３元系において，各構造に格子振動の効果を導入することによって求めた有限温度での安定構造は実験的に報告されている等温断面図と概ね一致した．このように，H28年度に取り上げた遺伝的アルゴリズムを用いた構造探索とconvex hullに基づいた理論状態図の計算によって，有限温度における相平衡を予測する手段として活用できる可能性が示されたと考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
H28年度で対象としたのは化学量論組成の化合物相から構成される理論状態図であるが，もとより状態図として完成させるためには，非化学量論性の固溶体と液相の存在を無視することはできない．そこでこれらの相の自由エネルギーを導入することを計画する．まず固溶体については，自由エネルギーに大きな寄与をもつ固溶による原子サイトのランダムネス（固溶エントロピー）を正確に取り入れるために，多数の規則構造について計算された凝集エネルギーをクラスターで展開し，クラスター変分法で有限温度の固溶体の自由エネルギーを決定する方法を用いる．この手法については本研究グループで独自に計算コードを開発し，置換型元素，侵入型元素を問わず多元系の自由エネルギーを計算できることを確認しており，十分な研究実績も蓄積している．一方，物質の三態におけるさまざまな熱力学量のうちで理論計算によるアプローチが最も困難な対象は液体である．この相に対しては，周期的な原子配列を対象とする第一原理に基づく理論計算法は適用しにくいことから，これまでは活量などの実験結果から原子間ポテンシャルを評価する古典分子動力学法やCALPHADなどの熱力学的計算法が液体に対して適用されてきた．しかし最近，液体状態が気体成分と固体成分から構成されると近似するtwo-phase modelが提案され，合金液体の熱力学物性の予測が可能になりつつある．そこで本研究でもこの手法を適用して液相の自由エネルギーを理論状態図計算に応用することで，より精度の高い理論状態図の構築手法の確立を目指していく．
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