第一原理解析に基づく強誘電体表面・界面の微視的構造ならびにひずみ誘起特性評価

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本研究は、量子力学に基づく第一原理計算により強誘電体の表面ならびに界面の原子・電子配置を解明するとともに、電気的特性と機械的変形のカップリング効果であるマルチフィジックス特性について体系的に研究するものである。強誘電体表面では原子配置の再構成が生じ、強誘電特性が著しく乱されることを解明した。同時に、表面となる原子層により同特性が助長あるいは抑制される傾向があることを示した。さらに、同表面によって四方を囲まれた強誘電ナノワイヤについて解析を実施し、そのエッジ部で極めて高い強誘電特性が得られることを初めて明らかにした。また、強誘電体特有の界面である分域壁の微視的な構造を示すとともに、そのスイッチング挙動の原子レベルメカニズムを解明した。一方で、高精度・高計算負荷な第一原理計算に代わり、低計算負荷で高速なShell modelポテンシャルを用いた分子動力学計算を提案した。Newton-Raphsonアルゴリズムによる数値最適化により、ターゲットであるチタン酸鉛の数々の特性を再現可能なポテンシャルを開発することに成功した。本成果により、解析が簡便に行える上、強誘電体に対するマルチスケールな取り組みが可能になる。また、強誘電特性の変化は原子間結合の切断・組換えと深く関連することが明らかになった。したがって、不可逆的な原子レベル構造変化(不安定変形)を厳密に評価する手法を開発した。本手法は強誘電体だけでなく、第一原理計算を含む全ての原子間相互作用評価について適用することが可能であり、また、一次要素を用いることで大規模原子系への適用も可能である。