平成２０年度 地球シミュレータ利用報告会
平成２０年１２月９日

研究課題テーマ
カーボンナノチューブの特性に関する
大規模シミュレーション
報告者○手島正悟（１）、古田照美（２）、牧野浩二（１）、中村賢（１） 、真庭豊（３） 、原田啓太郎（３） 、宮崎 剛（４）、宮本良之（５） 、藤澤義和（２）、中村壽（１）（１）財団法人 高度情報科学技術研究機構（２）本田技術研究所（３）首都大学東京（４）物質材料研究機構（５）NEC

カーボンナノチューブシミュレーション研究会
1目次• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
2

目的と研究テーマ••（目的）ナノ構造物質、特にナノ炭素類においてノーブルな現象、特性を発見し、新らしい機能、性質をもつ材料、デバイスの開発につなげる。
（背景）原子の数を１，２，３個…と増やして、外挿した結果から、多原子系の性質は予想できない。
多原子系は少数粒子系とは異なる性質が発現する→現実的な空間、時間スケール条件下での大規模高速シミュレーションが必要である
着手済み研究テーマ

モデル開発
・高性能化

物質創成
応用

タイトバインディング
時間依存DFT

本年度研究テーマ
高速化GSW法
第一原理モデル高性能化（基礎特性）1.CNTの熱伝導・熱安定、内包・バンドルCNT,ヤーンの機械特性、2.ナノ炭素
超伝導物質特性、 3.CNT生成過程、4.CNTの伝導特性

マッカイ結晶創成（応用特性） 5.スーパージャングルジム、6.フ

炭素系量子伝導特性

ラーレンからCNT、7.フラーレン複合体、8.ナノチューブ構造変換、9.CNT付着遷移金属の
水素吸着

デバイス
応用

10.ピーポット安定性、11.CNT汚染酸素摘出法、12.CNT選択的抽出法、13.チューブ内キャリア緩和・温度依存、 14.CNT金属接合の電子特性、15.CNTカイラリティ同定、16.ナ
ノカーボン構造変化

今後の展開
高性能多元素タイトバ
インディング
炭素機能物質創成

CNT生成過程
炭素系超伝導特性

CNT生成過程
炭素系量子伝導特性

低次元磁性特性
ナノ表面特性

低次元磁性特性ナノカーボン構造変化

ナノカーボン構造変化

ナノカーボン光特性

ナノカーボン光特性3目次• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
4

[1] CNT生成過程シミュレーション
背景：スーパーグロース法などによる良質（純度が良い、真っ直、長尺）なCNTの作成法の発展は目覚しいが、その成長メ
カニズムが未解決なため、制御が困難。

成長モデル

目的：CVD法による鉄触媒微粒子から成長するCNTの過程をシミュレーションし、その成長メカニズムを把握し、良質なCNT成長因子を見つけ出す。

鉄触媒

供給炭素

第一原理計算分子動力学計算
鉄、炭素、水素を扱う

経験的古典分子動力学計算
鉄、炭素のみ扱う5

鉄触媒による供給ガスの分解（CH4 Γ鉄触媒
→C＋４H ）
(0,0,1)面

着目点：(1,1,1)面○メタン解離の活性サイトの同定○解離後の炭素の拡散ルートの解明→ 内部拡散？表面拡散？
○解離後の水素の振る舞いの把握→ 浮遊？触媒に吸着？

手法○第一原理DFT擬ポテンシャル平面
波基底分子動力学計算手法○触媒γ鉄：５５原子○供給炭素メタンCH4：４分子

結果○Fe（１１１）面がより活性○炭素は表面拡散（計算不足）○水素は分子になり浮遊（計算不足）
地球シミュレータ：８０プロセッサ×１２時間×２７回

6

結果：

鉄触媒による、CNT成長過程シミュレーション- - - 経験的古典分子動力学計算手法- - -

1 ns

3 ns

炭素原子で内部を運動

炭素１０個程度がつながる

13 ns

炭素のキャップができ始める
2 ns

炭素１〜３個がつながる

10 ns

炭素のネットができ始める

緑：鉄、赤：内部炭素、黒：表面炭素４０ｐｓ毎に炭素原子を１個供給している

7

CNT生成過程シミュレーションのまとめ

成果：
鉄触媒による炭化水素の分解→鉄触媒内部による炭素原子の拡散、飽和→鉄触媒表面への炭素原子析出→鉄触媒表面でのCNT成長の各過程がシミュレーションで再現できた。

炭素(4) CNT成長(3) 鉄触媒表面へ炭素析出

今後の展開：CNTの成長は、鉄触媒サイズ、炭素供給量で著しく変わる傾向があることがわかった。今後、最適化条件を探る。

鉄触媒（２）鉄触媒中の炭素拡散（１）炭化水素の分解8• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
9マッカイ型炭素構造材シミュレーション
背景：炭素のみからなる3次元構造であるマッカイ構造が注目されている。
しかしながら、その生成過程は解明されていない。
さらに、サイズの大きいマッカイ構造の特性も解析されていない。

生成過程の探索（昨年度の成果）
カーボンナノチューブ

104 steps

128 steps

生成過程の解析（今年度の成果）

目的：マッカイ構造の特性や生成過程などを総合的に解析する。
昨年度：マッカイ構造の生成過程の探索とその解析
今年度：マッカイ構造の特性の解析

エネルギー[eV/atom]total 232 steps-6-6.5-7-7.5 0100200
GSW変換回数10マッカイ構造の特徴
手法：マッカイ構造のプリミティブセル

48 atomsの大きさを変更し、エネルギーの変化
144 atomsを調べる。
192 atoms
576 atoms
1200
576
192
144
48
原子
原子
原子
768 atoms
セルサイズを小さく
さらにセルサイズを小さく予測されるマッカイ構造
安定構造
1200 atoms
in a primitive cell

energy [eV]-2

予測される構造
-4

安定構造

-6
0.8

1

1.2
L/L0

1.4

滑らかな負曲面
切頂八面体

結果：
滑らかな負極面を持つと考えられていたが、切頂八面体に近い構造が安定構造となる
ことが明らかとなった。
サイズの違いで引っ張りでは同様、圧縮では異なる性質が確認できた。
成果：
セルサイズとエネルギーの関係からマッカイ構造の硬さを推測可能
安定構造がわかったため、その構造を基に電子状態などの特性の解析が可能
11体積弾性率と密度

1200原子体積弾性率 [GPa]手法：セルサイズを変化させたときのエネルギー変化から体積弾性率を計算
安定状態のセルサイズから密度を計算

150

768原子

ジグザグ型
576原子
48原子

100

アームチェア型

144原子
192原子

50

432原子

0.8

1.2
1.6
密度[g/cm3]

2

結果：大きくなるにつれて軽くなるが、体積弾性率も下がり、その関係はほぼ１次の関係があることが予測できた。
マッカイ構造にはジグザグ型とアームチェア型があるが、顕著な差は見られなかった。

12

マッカイ構造の電子状態
手法：安定構造が得られたため、これまで検討されていた構造よりも大きな構造を対象として電子状態を計算

e-DOS

20

60

80
60

40
10

40
20

0
-10

0

10

0
-10

20

0

10

[eV]

[eV]

48 原子（ジグザグ型）

144 原子（アームチェア型）

0
-10

0

10

[eV]

192 原子（ジグザグ型）

結果：
半導体的な性質が確認できた。
今後：
マッカイ構造への変形経路は得ており、それを基に実際に生成するための条件を検討する。
安定状態を得ることができたため、安定状態での磁性や光学特性などをシミュレー
ションにより推測し、応用の可能性を探る。
13

• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
14Tcの最高値 = 7 K
引用元 ： http://www.jaea.go.jp/02/
press2007/p07051801/hosoku.html

 Synthesized samples incorporate Hydrogen atom

Electrical resistance[3]ホウ素ドープダイヤモンド

０Tc

Temperature- H. Mukuda et al.:Science and Technology of Advanced Materials, 7,
S37-S40, Sp. Iss., 1 (2006)- J. Nakamura et al.:Phys. Rev. B70, 245111 (2004)→ Tc has respect of increasing beyond 7 K bytuning sample preparation and doping treatment
 If boron ions could be arranged periodically,
Tc would be able to reach an order of ～100 K- T. Shirakawa et al.: J. Phys. Soc. Jpn 76,014711 (2007)

ホウ素ドープダイヤモンドは高温超伝導体になるかも！

15

シミュレーションによるTcの推定－
Tcを推定するには，超伝導機構を仮定しなければならない
ホウ素ドープダイヤモンドの場合，
電荷ゆらぎ機構が有力

核

核

離れた電子間も核を介した長距離クーロン相互作用でクーパーペアを構成

核

核

クーロン
相互作用

電子

電子

第３ステップ
Tcの計算

1.5
1

λ

第１ステップホールがドープされた原子の運動をシミュレーション

0.5

第２ステップ
電子間に働く引力の計算
V (q )ε (q , iν)

Σ

(A )

(k ,iν)

=

Σ

Tc

(A )

(k ,iν)

0
0

50

100

150

T (K)

ホールドープの濃度を変えてシミュレーション

16

シミュレーション結果
Hole-concentration dependence of Tc
今年度は、シミュレーションの第２ステップにおいて電子間のクーロン相互作用に内挿式を用いて計算精度を向上させた
今年度の結果

80

80

60

60

T c（K）T c（K）

昨年度の結果Experimental upperbound on hole

40
20

20

0

0
0

5

10

hole concentration（%）

15

Experimental upperbound on hole

40

0

5

10

15

hole concentration（%）

成果：クーロン相互作用をより正確に扱うことで，実験結果に比較して高すぎた転移温度を改善することができた17

• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
18ナノ炭素量子伝導シミュレーション
電磁場中における量子伝導
CNTによる不揮発性メモリー

CNT分子1個から構成されるナノラジオ

引用元： http://www.nantero.com

カーボンナノチューブ（CNT）の電気伝導度

CNTを流れる電流による磁場や外部電磁場の影響下で，CNTの運動およびCNTを流れる電流の大規模シミュレーション

19

Self-consistent Tight Binding (SCTB) 分子動力学法
 Tight-binding (TB) 分子動力学法
 価電子数が変化したことによる長距離クーロン相互作用の変化を無視→ 結晶構造の変化や外場などの影響があると価電子数が変化 原子内の分極を無視→ 一般的には s 軌道と p 軌道が混成して分極Ｃ4e+ee-e価電子：４個に固定e- Extended Tight-binding (ETB) 分子動力学法
S軌道
＋

＋

 原子内の分極を考慮

Ｐ軌道
-

+

 価電子数が変化したときに生じる
長距離クーロン相互作用を考慮

混成 電磁場の影響を考慮+

20

電磁場中における量子伝導コード
原子クラスター作成
電荷ρからLDAポテンシャル計算
原子の波動関数作成
1 ∂E= mJ
rot B - ２c ∂t
磁場Bの効果B = rot A
1 r
電場Eの効果 div E =SCTB計算－P・E
電荷分極Pの効果e

ハミルトニアン(重なり積分、飛び移り積分)作成
リカーシブ法でGreen関数を求める
Fermiエネルギーを求める

分子伝導Jを求める

斥力項を求める
分子伝導による電磁場E，Bを求める

電荷ρを求める
分極Pを求める

原子に働く力を求める
原子の運動

21

シュミレーション結果
非平衡グリーン関数形式を用いた量子伝導
Jij =∫Jij(ε) dε
SystemJij
HRC

HLC
Electrode

Electrode

HL

HR
HC

Jij(ε) = Re{ Hji G－+ij(ε) }G(z)={z-HC-Σ(z)}-1
Σ(z)= ΣL(z)+ΣR(z)ΣL(z)=HLC† (z-HL)-1HLC
ΣR(z)=HRC† (z-HR)-1HRC
G－+(ε) = G r(ε) Σ －+(ε) G r(ε) †Σ －+(ε)=－i{ ΓL(ε) f(ε−µL)+ΓR(ε) f(ε−µR) }ΓL(R)(ε) = i {ΣL(R)r(ε) – ΣL(R)r(ε) † }１次元電極に取り付けられたCNTでの電流分布

(a)




(b)

矢印の直径はlogスケールでの電流の大きさを表す(a) 二つの電極接合部分を結ぶ直線がCNTの軸に平行な場合(b) 二つの電極接合部分を結ぶ直線がCNTの軸に平行でない場合

22

まとめと今後の展開

成果： 電磁場を考慮したタイトバインディング分子動力学シミュレーション手法を定式化した
 テスト計算として，１次元電極に取り付けられたCNTでの電流分布のシミュレーションを行った．
今後の展開：
 CNTを流れる電流を考慮した分子動力学シミュレーション
 CNTを流れる電流による電磁場の効果を取り入れたシミュレーション
 フェルミ面よりも上にあるバンドをより正確に扱った計算手法の開発

23

• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
24

[6]ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション
背景
例: Cu 錯体1次元ナノ細孔内の場合（ W. Mori et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 306, (1997) 1-7）

実験データ

S＝1/2 dimer
酸素分子
Cu錯体の１次元細孔の図（直径 ～4.5Å）

酸素分子の磁性が変化

微細空洞への閉じ込めによる酸素分子（S＝1）の磁性の制御の可能性がでてきた

目的：
・ CNTに内包された酸素分子の磁性を研究する
・ 金属、半導体、直径依存を明らかにする
25

CNTに内包された酸素分子の磁性の直径依存性と状態密度解析
酸素分子の磁性消失
(7,0)

20

(8,0) (9,0)
(5,5)

1.6

(6,6)

(4,4)
(6,0)

1.2
ZigzagArmchair

0.8

O2 in (6,6)CNT
O2 in (5,5)CNT
O2 in (4,4)CNT
15 O2 in (3,3)CNT

磁性

DOS (states/eV)

Magnetic moment [μB/O2]2

酸素分子のDOS

0.4

10

5
(5,0)

0

非磁性

(3,3)
3

4

5

6

7

CNT diameter [Å]

結論：

8

9

0
-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Energy (eV)

（Fermi energyを原点とした）・ CNT直径が小さくなるにつれ内包された酸素分子の磁性が消失
・ 同程度の直径では金属ＣＮＴに内包された酸素分子の方がより非磁性・ 磁性消失の原因は、CNTから酸素分子へ電荷移動が起こり酸素分子の反結合性π軌道が満たされ、スピン分極が減少するため
成果：
・ CNT内部で酸素磁性体を設計する際に重要な指針が得られた

26

• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開
27

[６] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュレーション
オーダーN法第一原理計算手法の高速化と応用計算
目的：計算量が原子数Nに比例するオーダーN法第一原理計算プログラムの並列化効率、ベクトル化効率を高くすることにより、数千原子から数万原子を含む系に対する第一原理計算を可能とし、ナノ表面構造の構造安定性や巨大生体分子に対する第一原理計算による理論研究を実現する。
Si(001)上のGe ３次元構造の構造（約２３０００原子系での構造最適化）

174Å

３次元島構造と2次元2xN構造のエネルギー比較

174Å

47.5 Å

成果：
Si基板上のGeのヘテロエピタキシーの系に対する第一原理計算• ２万原子以上を含む系に対し、第一原理計算による構造最適化を行い、ファセット構造、エッジの構造などを明らかにした。
• Geの吸着量によって、２次元成長から３次元成長に変化する事を示した。
28

オーダーN法第一原理計算手法の高速化と応用計算

水溶液中のDNAの構造

DNA１０塩基対で多数の水分子を含んでいる系と含んでいない系に対して計算された全エネルギーの（補助）密度行列のカットオフ半径依存性

成果：
生体系に対する第一原理計算• 多数の水分子に囲まれたDNA分子（全体で３４００原子）に対するセルフコンシ
ステント第一原理計算を実現した。
• 密度行列最適化によるオーダーN手法が生体系に対して極めて高精度である
ことを示した。
•計算手法が確立した。炭素系物質への修飾、親和特性の計算に取り掛かる。
今後：
計算手法が確立した。炭素系物質への修飾、親和特性を検討。
29

• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーション• (3)まとめ• (4)成果の公開30

[7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーション
時間依存密度汎関数理論を用いた、時間変調電場印加後のダイナミクス計算プロ
グラムの開発とナノカーボンの構造変化、光特性の探求
狙い：
近年実験技術が格段に進歩してきたフェムト秒レーザー分光、カーボンナノ
チューブに内包された分子の分光技術が進歩し、理論による解析・デザインが必要になってきた。
成果：
1. 従来から行われているシミュレーション方法では、数値精度の確認が不可能であった点を改善。物体に時間変調外場を当てたときの、外場が物体になした仕事を定式化し、エネルギー保存則を実証 (2008年4月にPRBにregular article掲載)
2. グラファイト表面にパルスレーザーを当てた場合の計算に成功。表面第一層だけが剥離するシミュレーション結果を得、グラフェン大量生産方
法に結びつくと期待される。(国際会議TRNM08招待講演予定。APS講
演予定)
3. 光の波長がナノチューブ固有の励起エネルギーと外部電場とで共鳴す
ると、一時的にカーボンナノチューブ内の光の電場が増大することを発見。Phys.Rev Lett に投稿予定。
31

成果の説明１：
グラファイトに、800nm波
長、パルス幅50fsのレーザーを照射すると、最上表面のグラフェンシートのみが剥離する。今後、パ
ルス幅、強度、光波長を変調させた種々の条件を試したい。

λ= 800 nm
τ=50 fs

今後の狙い：
グラファイトの剥離とは逆に、圧縮によるダイアモンド化、ナノチューブ化の可能性
も、レーザーパルス波形条件を変えて探索する予定

32

成果の説明２
半導体ナノチューブは
チューブ軸に垂直な偏光をあてても、光電場のスクリーニングが弱い。さらに、光の周波数が共鳴条件を満たすと、ナノチューブ内部の電場が一時的に増大する。
青線（外場による振動電場）
赤線（外場＋ナノチューブの誘導電場）

非共鳴時共鳴に近い場合

電子-正孔の空間分離が共鳴振動で増大され電場の増大の原因

計算時に仮定した周期境界条件
今後の狙い：
ナノチューブ内部の分子の、光励起振動、化学反応を予測し、気体中・液体中よりも高感度な振動測定や化学合成のヒントをつかむ33• (1) 目的、研究テーマ• (2) シュミレーション成果– 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション• [1]鉄触媒を用いたナノチューブ成長シミュレーション– 素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション• [2] マッカイ型炭素構造シミュレーション• [3] ナノ炭素超伝導シミュレーション• [4] ナノ炭素量子伝導シミュレーション• [5] ナノチューブ内包低次元酸素磁性機能シュミレーション• [6] ナノ表面、巨大生体分子に適応したオーダーN第一原理シミュ
レーション– デバイス応用シミュレーション• [7] ナノ炭素構造変化、光特性探求シミュレーショ

• (3)まとめ• (4)成果の公開34

まとめ（本年度）
物質創製応用80（Max512）PN

CNT生成過程★鉄触媒を用いたCNT生成過程○鉄触媒による炭化水素の分解、炭素の吸収/拡
散/飽和/析出/ CNT成長の過程を実証した。◇触
媒サイズ、炭素供給比などを制御して、CNT成長の最適条件を探索する

マッカイ結晶の創成★新奇物質の生成法○Cサイズの異なるマッカイ構造の特性を比べ、表面変化が起こること（曲面から平面へ）を示した◇グラフェン表面の応用（吸収体）

ナノ炭素超伝導物質の特性

デバイス応用

炭素構造変化★レーザによるグラフェン構造変化○バルスレーザによるグラフェン表面の剥離に成功→大量生産方法に指針を与えた◇ パルス波形を変えてダイヤモンド化、CNT化を探求

平常（最大）使用ノード数PE★応用、○本年度成果、◇次の展開★常温超伝導物質構造の探索

低次元磁性特性○電子間相互作用の高精度化により超伝導温度を改善した◇シミュレーションモデルのさらなる高精度化★CNT内包酸素の磁性機能

ナノ炭素量子伝導特性★モデル構築とCNT電流特性○電極の接触部に依存するCNT表面電流経路を示した。
◇CNT自己電流、電磁場の影響を考慮

36（Max36）PN○CNT直径が小さくなると磁性は消失。原因は
電化移動→酸素磁性体の設計指針を示した◇CNTの螺旋の影響などを調査

オーダーN第一原理計算★多粒子系への適用○ナノ表面、巨大生体分子でコード検証。

◇炭素系との融合へ展開

35

まとめ（全体）
１ モデル開発、高性能化
Tighｔ-binding分子動力学法、第一原理分子動力学法、時間依存密度汎関数法などの粒子
系ナノシミュレーションではベクトル計算による計算高速化が非常に有効であることが実証できた。

２ 物質創生応用
ＣＮＴナノヤーン、マッカイ構造、ナノダイヤモンド、フラーレン重合体などのナノ炭素からなる
新奇構造体を創生し、熱特性、機械特性、電子構造などの物性特性、物性値が予言できた。
計算機シミュレーションは新奇物質創生に強力なツールとなることが実証できた。

３ デバイス応用
ＣＮＴの汚染物摘出、ＣＮＴ選択抽出法、ＣＮＴカイラリティ同定、レーザによる炭素類構造変化・光特性などの応用面では、ＣＮＴ、ナノ炭素類の機能を引き出す制御技術、外場に対する応答反応などに有効なツールであることが実証できた。

全体のまとめ：
ナノ分野における新機能材料開発にはシミュレーションは必須であり、理論家、実験家との協調が大切である。
超高並列計算モデル開発には、理論、計算アルゴリズム、計算機アーキテクチャの同時理解が大切である。
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成果の公開
原著論文（査読あり）○T. Miyazaki, et al, “The energetics of hut-cluster self-assembly in Ge/Si(001) from linear-scaling DFT calculations”,
J. Phys. Soc. Jpn. in press○ Y. Miyamoto and J. Zhang,“Testing the numerical stability of time-dependent density functional simulations using the Suzuki-Trotter formula”,
Phys Rev B77, 165123 (2008).
原著論文（査読なし、および雑誌等寄稿）○牧野、RIST NEWS No.45 掲載予定
○宮本、「時間依存密汎関数理論による非平衡現象への挑戦」日本計算工学会雑誌掲載予定。
学会等発表○原田啓太郎、松田和之、真庭豊、手島正吾、中村壽、「SWCNTに内包された酸素の第一原理電子状態予測」、
円日本物理学会第64回年次大会発表予定、2009年３月２７〜３０日○ T . Miyazaki, et al, “Large-scale DFT calculations with the CONQUEST code”,
International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering, Sep. 25-30, 2008, Crete, Greek. (Invited talk).
○ T. Miyazaki, et al, “Large-scale DFT calculations on biological systems with the CONQUEST code”,
The 11th Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculations, Nov. 3-5, 2008, Kaohsiung, Taiwan. (Invited talk).
(ポスターセッション)○牧野、次世代スーパーコンピューティングシンポジウム2008○宮本、NT08○宮本、The 11th Asian Workshop on the First Principles Electronic Structure Calculation.
○宮本、フラーレンナノチューブ学会
講演○宮本、CCTN08 （NT08のサテライト会議）、○宮本、日本物理学会秋の分科会で講演。
○宮本、SC08のナノサイエンスワークショップで講演予定、○宮本、TRNM08で招待講演予定
新聞、雑誌での掲載記事○宮崎剛、大塚教雄 「DNA系に対する大規模第一原理計算」 固体物理特集号「生物物質科学」（アグネ技術センター） 印刷中。

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カーボンナノチューブ・シミュレーション研究会 会員
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遠藤 守信
大澤 映二
押山 淳
金田 康正
斉藤 晋
斉藤 理一郎
篠原 久典
David Tomanek
塚田 捷
平野 恒夫
丸山 茂夫
渡辺 一之
宮本 良之
大野 隆央
藤澤 義和
真庭 豊
中村 壽

信州大学
豊橋技術科学大学名誉教授
筑波大学
東京大学 情報基盤センター
東京工業大学大学院
東北大学
名古屋大学大学院
ミシガン州立大学
早稲田大学
お茶の水女子大学
東京大学大学院
東京理科大学
NECラボラトリーズ
独立行政法人 物質・材料研究機構
本田技術研究所
首都大学東京財団法人 高度情報科学技術研究機構

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