平成１６年度 地球シミュレータ利用報告会
平成１７年１月８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）、牧野浩二（１）、南一生（１）、大淵真理（２）、宮本良之（３）、中村壽（１）（１）財団法人 高度情報科学技術研究機構（２）富士通（３）NEC

カーボンナノチューブシミュレーション研究会

目次
目次（１）目的、研究テーマ（２）シュミレーション成果[１]CNTの機械特性[２]構造探索 -GSW変換法[３]CNT/金属接合の電子特性[４]電子・格子エネルギー緩和現象（３）まとめ（４）成果の公開

(1)
目的と研究テーマ(1)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

本年度研究テーマ

次年度以降

コード作成
ベクトル化、並列化

タイトバインヂング

高精度第一原理

多原子版タイトバインディング

時間依存DFT

GSW法

基礎特性

CNTの熱伝導、熱安定
内包CNT（ピーポット）の機械特性：

内包CNT機械特性
バンドルCNT準備
CNT金属接合の電子特性

バンドルCNT機械特性
CNT金属接合のV・I特性

物質創製

スーパージャングルシム

GSW（構造探索）

巨大スーパージャングルジム
GSW継続
触媒反応

応用

ピーポット安定性
CNT汚染酸素摘出法
CNT選択的抽出法
チューブ内チャリア緩和

チューブ内チャリ
ア緩和温度依存

緩和温度依存の継続

[1]単一CNTの機械特性（軸方向座屈）[1]単一CNTの機械特性（軸方向座屈）

壊れないCNT探線が必要。内包CNT探線は強くなるか？
（10,10）CNTは９％圧縮可能。

座屈：４％圧縮

座屈：９％圧縮（外側の座屈で中側がつぶされる）

内包CNTは強くはならない！

なぜピーポットは壊れやすいか？
なぜピーポットは壊れやすいか？
(10,10)：D=13.6Å
D=13.6Å(5,5) + (10,10)(10,10)：D=13.6Å
D=13.6Å

ｄU- ｄｘー(5,5)：D=6.8Å
D=6.8Å

温度：０K
温度：０K
温度：１００K
温度：１００K（10,10）：対称歪み４％
歪 v.s. ストレス歪 V.S. エネルギー

3.4Å
3.4Å

3.28Å
3.28Å

内包物と相互作用しない（外側CNTの対称歪みを（外側CNTの対称歪みを感じない）

内包物と相互作用する（外側CNTの対称歪み（外側CNTの対称歪みも感じる→も感じる→４％で座屈）長尺単一
CNTの機械特性
長尺単一CNTの機械特性（（オイラー座屈：曲げ）
オイラー座屈：曲げ）
温度１００Kの熱揺らぎ
両端で折れる
中央で折れる

曲がり始める

横方向に揺れやすい

一端固定、一端自由（AFM）の計算を計画中

バンドル
CNTの機械特性
バンドルCNTの機械特性（超硬度複合材材料への応用）（超硬度複合材材料への応用）
実験では６角形が見える

単一CNTと異なるバンドル機械特性が予想される。

特徴：（１）６角形チューブが混じる → （シミュレーションで実証した）（２）チューブ側壁が他に囲まれている（３）CNT間にファンデルワールス結合が発生 （コードの改良。高速化）

現在バンドルCNTの初期状態作成段階
現在バンドルCNTの初期状態作成段階

より接近する

接近しすぎて接面が平坦になる（６角形形成）

現在は有限個のクラスター。原子個数が多くなれば、６角形で凝縮すると予想している。現在計算中。

反動で離れていく
１００K

バンドルCNTの量子計算は世界最初。

[2]造遷移による新規ナノカーボン探索法[2] 構
構造遷移による新規ナノカーボン探索法
目的探索ルールある構造から構造変化を開始し、遷移エネルギーパスを網羅し、構造変化の方向を探る

GSW変換

a-1adcbc+1 d+1b-1C2L変換a手法

dc

初期構造

b

マスター・スレーブ型で並列化
現在数百原子まで探索が可能

c-1 a+b-2 d-1

フラーレンからナノチューブへの遷移パス
フラーレンからナノチューブへの遷移パス
初期構造

目的構造

hinge-opened [2+2] C60

short carbon nano tube

変換過程

フラーレンからナノチューブへの遷移パス
フラーレンからナノチューブへの遷移パス
初期構造

目的構造

short carbon nano tube
+ C60

carbon nano tube

変換過程

エネルギー準位

成果

CからCNTへの遷移経路
C６０
６０からCNTへの遷移経路

0hinge-opened [2+2] C60

102030
GSW再配置回数40

最短パス
エネルギー準位減少パス

今後
炭素原子を付加させて成長繰り返し構造を利用したコード最適化

nano tube

hinge-opened [2+2] C60からnanotubeへ至る複数のパスを確認

[3]NT/金属接合[3] CCNT/金属接合
背景 将来のエレクトロニクス応用

構造模型

ＣＮＴ/金属接合
単層ＣＮＴ束半導体CNT

単位セル
190原子金属Ｍｏ Ｔｉ

金属（5,0）ＣＮＴ
トランジスタ金属電極

多層金属ＣＮＴ

手法

配線

高精度第一原理分子動力学法
・密度汎関数理論・擬ポテンシャル・平面波展開

電気伝導度・構造安定性が重要

現段階で300原子の大規模計算可能

電子特性
電子特性
ＣＮＴ/Ｍｏ

ＣＮＴ/Ｔｉ

電気伝導に寄与

Ti
状態密度

状態密度

Mo

CNT

電気伝導に寄与
CNT

エネルギー （eV）

エネルギー （eV）

期待される電極材料（Ti, Mo）で良好な伝導の可能性

今後 電気伝導度、構造安定性の詳細な比較
多層CNT、半導体ＣＮＴへ展開

[4][4] ナノチューブ内キャリアー緩和
ナノチューブ内キャリアー緩和電子
正孔

電子-格子緩和の温度依存性
格子のポテンシャル(eV/96原子)

電子エネルギー準位(eV)

初期温度300Kの電子-正孔ギャップ減少が高速に起きることを発見（昨年より長時間のシミュレーションに成功）

初期温度300Kの格子ポテンシャルの推移(200 fs以降でドリフト-エネルギーの流れの始まり：電子-格子緩和時間)

初期温度150Kの場合
初期温度77Kの場合低温になるほど、ポテンシャルのドリフトが遅くなる：温度に依存した電子-格子緩和

(3)(3) まとめ
まとめ
基礎特性

物質創製

３０～５０（Max４３５）PN
CNTの機械特性
★先端計測機能（AFMチップ等）★複合材料設計（超強度、多機能性等）

構造探索★ナノカーボン機能創製○軸方向座屈の把握（ピイポット、２重ナノチューブ）○軸垂直方向（オイラー座屈）過程把握。
○サイズ依存するバンドルCNTを開始（量子計算では世界最初）★バンドルCNT特性★多原子版タイトバインディング
CNT金属結合の電子特性★CNT回路電子特性

１０（Max１０）PN○300原子の大規模計算可能○CNTの状態密度導出

使用（最大）ノード数PE
１０（Max１０）PN○GSW転移法による並列プログラム（マスター・スレイブ法）完成。
○C60＋C60→CNTの実証★CNTジャンクション創製★巨大ジャングルジム構造創製
★触媒反応

応用
CNT内キャリア緩和★光デバイス動作速度

１２（Max１２）PN○温度の依存した電子・l格子緩和の発見★緩和の温度依存特性★電気伝導度の特性★応用、○本年度成果、★次年度

(4)(4) 成果の公開
成果の公開
発表：＊CIMTEC（COMPUTATIONAL MODELING AND SIMULATION…） （招待講演）
H1６・５月＊TDDFT2004（招待講演）
H1６・６月＊NT04（Nanotube…）（招待講演）
H1６・７月＊HPCAsia2004（一般講演）
H1６・７月＊SISPAD2004（International Conference on Simulation …） （招待講演）
H1６・９月＊ナノテクフェア（出展）
H1６・９月＊情報処理学会セミナー（講義）
H1６・１０月＊Asian Workshop on First-Principles …
（招待講演）
H1６・１１月＊SC200５（出展、ワークショップ） H1６・１１月＊NanoCarbon2004(招待講演)H16・１１月

記事：＊「計算工学」Vol９、No４ 特集記事

日本計算工学会

論文：
昨年の計算結果(光励起酸素脱離反応)がPhysical Review Bに受理。

カーボンナノチューブ・シミュレーション研究会
カーボンナノチューブ・シミュレーション研究会 会員
会員••••••••••••••••

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
大淵 真理
大野 隆央
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
電気通信大学
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
富士通研究所独立行政法人 物質・材料研究機構
財団法人 高度情報科学技術研究機構