高温用非晶質セラミックスの量子構造と機械的特性

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本研究では、分子シミュレーション法と第一原理計算法を併用し、非晶質セラミックスの原子・電子構造を解析し、結晶質とは異なる原子配列に起因する物質の機械的特性発現のメカニズムを明らかにすることを目的とした。分子シミュレーションについては、分子動力学法を用い、独自に開発した原子間ポテンシャルの適用と更なる改良、さらには第一原理計算については擬ポテンシャル法の最適化と計算高速化のアルゴリズム検討なども行った。計算アルゴリズムについては、共役勾配法やRMM-DIIS法などを検討したが、系に依存した収束パラメータを適切に設定することで、RMM-DIIS法により計算時間を大幅に短縮することができることが判明した。特にランダムな原子配列を有する系については、周期的原子配列を持つ系に較べて電子密度の収束が遅く、今回解析した手法により大規模系への第一原理計算法適用に対する一般的な足がかりをえることができたといえる。また具体的な適用例として、高温セラミックスとして重要なアルミナ・ジルコニア粒界・界面についても検討を行い、原子配列の乱れた界面近傍の結合状態を研究した。隣り合う結晶間の整合性が低い場合、界面を介して様々な配位数・結合距離を有する結合ペアが存在しているが、結合に関与する電子が適宜再分布する結果、様式の異なる結合状態が同一界面上に共存することが判明した。つまり界面での原子配列の乱れに伴う結合状態の多様性を見出し、結晶内部とは全く異なる化学結合状態についての描像を提案した。