並列分子動力学/電子状態計算手法によるナノ構造セラミックスの粒界形成・機能制御

本研究では、申請者がこれまで蓄積してきた研究成果を踏まえた上で、更なる発展を目指し、下記のような達成目標を掲げてきた:(a)粒界不純物拡散機構に対する分子動力学/電子状態解析;(b)ナノ構造中の電子伝導の解析;(c)超長時間シミュレーション手法の確立とナノ粒子成長・粒界移動解析への適用。最終年度である本年度では、下記の成果により上記目標のほとんどが達成された。(1)計算グリッド上での高効率な計算を可能にするO(N)並列TBMDおよびハイブリッド並列TBMD/MDコードを完成させた。(2)上記のO(N)並列TBMDおよびハイブリッド並列TBMD/MD法により、Si結晶・粒界中の水素拡散に関するマルチスケールシミュレーションを実施し、高温におけるSi結晶・粒界付近での水素拡散のメカニズムを解析した。(3)前年度から引き続いて、古典MDとTBMDとの併用、ならびに上記のハイブリッドTBMD/MD手法を用いて、SiおよびSiC結晶粒界の高温における構造安定性の解析を行った。また、Si粒界における電子状態の局在性を、電子密度行列の空間的広がりから解析し、ボンドの乱れとs軌道成分の増大との関係を定量的に明らかにした。(4)Si結晶中の不活性原子のTBMDシミュレーションを実施し、安定位置、拡散経路ならびに活性化エネルギーの見積もりを行った。(5)多項式展開法による時間依存シュレディンガー方程式の高速計算法を開発し、鎖状ナノ構造Si中の電子伝導ダイナミックスの解析を行った。(6)超長時間シミュレーションを可能にする確率的差分方程式法を密度汎関数分子動力学シミュレーションへ適用し、その有用性と数値的安定性を検証した。

本研究では、申請者がこれまで蓄積してきた研究成果を踏まえた上で、更なる発展を目指し、下記のような達成目標を掲げてきた:(a)粒界不純物拡散機構に対する分子動力学/電子状態解析;(b)ナノ構造中の電子伝導の解析;(c)超長時間シミュレーション手法の確立とナノ粒子成長・粒界移動解析への適用。最終年度である本年度では、下記の成果により上記目標のほとんどが達成された。(1)計算グリッド上での高効率な計算を可能にするO(N)並列TBMDおよびハイブリッド並列TBMD/MDコードを完成させた。(2)上記のO(N)並列TBMDおよびハイブリッド並列TBMD/MD法により、Si結晶・粒界中の水素拡散に関するマルチスケールシミュレーションを実施し、高温におけるSi結晶・粒界付近での水素拡散のメカニズムを解析した。(3)前年度から引き続いて、古典MDとTBMDとの併用、ならびに上記のハイブリッドTBMD/MD手法を用いて、SiおよびSiC結晶粒界の高温における構造安定性の解析を行った。また、Si粒界における電子状態の局在性を、電子密度行列の空間的広がりから解析し、ボンドの乱れとs軌道成分の増大との関係を定量的に明らかにした。(4)Si結晶中の不活性原子のTBMDシミュレーションを実施し、安定位置、拡散経路ならびに活性化エネルギーの見積もりを行った。(5)多項式展開法による時間依存シュレディンガー方程式の高速計算法を開発し、鎖状ナノ構造Si中の電子伝導ダイナミックスの解析を行った。(6)超長時間シミュレーションを可能にする確率的差分方程式法を密度汎関数分子動力学シミュレーションへ適用し、その有用性と数値的安定性を検証した。