| 研究課題/領域番号 |
16K18032
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| 研究機関 | 琉球大学 |
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研究代表者 |
永島 浩樹 琉球大学, 工学部, 助教 (00759144)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 固体酸化物 / プロトン伝導 / 量子効果 / エネルギー障壁 |
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| 研究実績の概要 |
固体酸化物電解質内におけるプロトン伝導に対する量子効果の影響を明らかにするために、昨年度は研究計画に基づき、BaZrO3電解質膜内のプロトン伝導に対する量子効果の影響を調べた。具体的にはふたつの伝導経路について解析を行い、Nudged Elastic Band (NEB) 法により最小エネルギー経路を特定した。この解析よりプロトンの量子効果を考慮することで、イオン間の相互作用が弱くなることが明らかとなった。しかし量子効果によるポテンシャル障壁の高さの変化は、各経路により異なることが分かった。つまり酸素イオン周りの回転移動に関しては、量子効果を考慮することでポテンシャル障壁が高くなり、酸素イオン間の水素結合の組み替えによる移動におけるポテンシャル障壁は低くなることが分かった。このような各伝導経路において量子効果の影響が異なるのは、各経路上においてプロトンの波動関数の広がり方が異なるからである。つまり、酸素イオン周りの回転移動による経路上では、最小エネルギーの位置よりも障壁の最大値付近で波動関数が広がりやすいため、障壁の最大値付近でポテンシャルエネルギーが小さくなり、最小エネルギーの位置を基準とした場合ポテンシャル障壁は高くなる。一方、酸素イオン間の水素結合の組み替えによる移動による経路上では、最小エネルギーの位置付近で最も波動関数が広がりやすいため、最小エネルギーの位置付近でポテンシャルエネルギーが小さくなり、最小エネルギーの位置を基準とした場合ポテンシャル障壁は低くなることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
NEB法を用いた解析では、各レプリカにおける力とポテンシャルエネルギーの収束計算が必要となるが、量子効果を考慮した場合、力とポテンシャルエネルギーの揺らぎが大きくなるため、従来の計算で用いていた収束判定条件では計算が収束しないという問題が発生した。古典の場合と同程度の計算精度で解析を行うためには、量子効果を考慮した場合の力とポテンシャルエネルギーの計算のサンプリング数を増加させるしか解決法がなかったため、当初の予定よりサンプリング数を約10倍にして解析を行った。そのため、当初の予定では今年度中に固体酸化物中の構成を変化させた解析を行い、各構成におけるポテンシャル障壁を算出する予定であったが、まだ構成を変化させた場合の解析を終えていないため研究計画よりも若干遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
量子効果を考慮した場合、力とポテンシャルエネルギーの揺らぎが大きくなるため、当初の予定よりもサンプリング数を約10倍にして解析を行っている。しかしその分計算時間がかかってしまうため、まずは構築したプログラムの高速化図る。改良したプログラムを用いて固体酸化物中の構成を変化させた場合の解析を行い、各構成におけるポテンシャル障壁を算出する。算出したポテンシャル障壁より移動頻度を算出し古典の場合と比較することで、プロトン伝導に与える量子効果の影響について考察を行う。さらに、算出したポテンシャル障壁と移動頻度を用いて、動的モンテカルロ（KMC）法をベースにプロトンの量子性を考慮した量子分子シミュレータを構築する。さらに、導出したポテンシャル障壁とプロトンの波動関数より透過率を算出し付加することで、量子トンネル効果を再現する。構築した量子分子シミュレータを用いて固体酸化物電解質膜中の巨視的なプロトン伝導現象に与える量子性の影響とそのメカニズムを明らかにする。解析は幅広い温度条件と様々なドーパント、空孔、プロトンの割合において行い、拡散係数を算出する。この結果を古典的な移動頻度とポテンシャル障壁の場合と比較することで、量子性によるポテンシャル障壁の変化の影響と量子トンネル効果によるプロトン伝導メカニズムを明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
大学院生への謝金として計上していた予算があったが、本テーマを担当する学生が配属されなかったため、その分の差額が生じた。さらに計算機用のメモリを当初購入予定であったが、購入予定のメモリがすでに販売しておらず、他の代替品を探している状況であるためその分の差額が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
差額として生じた謝金は、本年度に配属される学生に支払うか、もし配属されなかった場合は、購入した計算機を増強するためのパーツを購入する代金として使用する。さらに当初購入予定であったメモリの代替品の代金として使用する。
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