平成１７年度 地球シミュレータ利用報告会
平成１８年１月７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）、立木昌（１） 、牧野浩二（１）、中村賢（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]物質創成シミュレーション[２]ナノ炭素超伝導シミュレーション[３]ＣＮＴ/金属界面の高精度第一原理
シミュレーション[４]細径ナノチューブの蛍光同定シミュレーション[５]多価イオン照射によるナノカーボンの構造変化シミュレーション（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

基礎特性

CNTの熱伝導・熱安定
内包CNTの機械特性

ナノ炭素超伝導物質特性
バンドルCNT機械特性

炭素系超伝導物質特性継続
バンドルCNT機械特性継続

物質創製

スーパージャングルジム

フラーレン複合体
ナノチューブ構造変換

スーパージャングルジム継続

時間依存DFT

GSW法
第一原理

フラーレンからCNT

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
チューブ内キャリア緩和・温度依存、 CNT金属接合の電子特性予備解析

GSW法高速化

多原子版タイトバインディング

第一原理高並列化

触媒反応

CNTカイラリティ同定
ナノカーボン構造変化

CNT金属接合の電子特性

CNT金属接合の電子特性緩和・温度依存の継続(2)シミュレーション成果(2)シミュレーション成果

[1][1] 物質創製シミュレーション
物質創製シミュレーション
ナノ炭素結合に次々にGSW変換を行い、新しい全ての構造から、安定したユニークな構造を探索し、物質創製の指針を与える。

目的同じ構造a-1acdc+1 d+1bb-1

同じ構造
目的構造

初期構造

GSW変換

同じ構造の判定は結合エネルギーにより行う。
GSW の大規模高速化

1個

8個

20個

400個

512ノードの並列トータル性能：10.4TFLOPS
ベクトル化率：97％

1万個

CNT複合材料設計へのCNT複合材料設計へのGSWコードの応用
GSWコードの応用

昨年度の結果：CNTはファンデルワールス引力でバンドルを作る。しかし、結合が弱くたやすく熱で壊れる！

今年度のアプローチ：
GSWコードを用いて、CNT間を直接原子溶接して、強固なCNTバンドルを作る。

GSW
変換による、CNT間の原子GSW変換による、CNT間の原子溶接シミュレーション
溶接シミュレーション
Energy(computed by theHuckel method)

エネルギー上昇0エネルギー減少

安定な接合状態に向かっている

5101520step(the number of GSW rearrangement)

31ステップのGSW変換。
5700万個の構造体から探索した最安定状態
CNTコンポジット構造の予測が可能

GSW変換によるフラーレン間の原子溶接
GSW変換によるフラーレン間の原子溶接シミュレーション（フラーレン複合体の創製）シミュレーション（フラーレン複合体の創製）
エネルギー上昇

Energy(computed by theHuckel method)

エネルギー減少

051015step(the number of GSW rearrangement)

今後の展開○C60から6方向に腕が伸びているため、30ステップ(6+6×4ステップ)まで探索し、エネルギーが下がるパスを探る。
○巨大フラーレン複合体の創製 （ナノ炭素磁性体等の展望）

[2][2] ナノ炭素超伝導シミュレーション
ナノ炭素超伝導シミュレーション
背景：ホウ素ドープされたダイヤモンド薄膜の超伝導性が実験で指摘。
目的： 炭素系高温超伝導体の提案 → 常温超伝導への展望
ホールがドープされたダイヤモンドへ簡略

原子数：約５００■物質の特徴・ 絶縁体ダイヤモンドによる弱い電子遮蔽 ⇒ 強相関電子系
・ 軽い炭素同士の強い共有結合⇒ 振幅が大きい格子振動■ 提案する新超伝導メカニズム・強い電子-格子結合により誘電関数ε(q,ω)
が負となり，有効電子間相互作用Veff (q,ω)が引力になる。
⇒ クーパー対の出現

計算手法
計算手法
CRTMDコード エネルギーバンド構造
 格子振動の分散関係
 炭素原子の空間揺らぎ
 とび移り積分の揺らぎ

CNT（擬１次元）の場合：2.4Gflops/PE
ダイヤモンド（３次元）構造の場合 ：５ Gflips/PE

電子系グリーン関数

carbonG：グリーン関数

δ ρ (t)τ電荷揺らぎ

0G
遥動散逸定理
誘電関数
V(q)Veff (q,ω)= ε(q,ω)
超伝導移転点の決定方程式→ 誘電関数＋エリアシュベルグ方程式→ 転移温度を求める

carboncarbonとび移り積分τ (t)ホールドープされたダイヤモンドの解析結果
ホールドープされたダイヤモンドの解析結果
q =(0.25, 0, 0)
 誘電関数40ω＝０近傍で負になると引力が生じる

200-20-40 超伝導転移温度

00.05

0.1

0.150.2

ω(eV)z Tc = 260 K（5% ドープ）。
（計算精度の改善のため、長時間時系列データ、高精度空間メッシュでの大規模計算が必要）
 今後の計画
M.Tachiki, S.Nakamura,z 詳細計算z 電子相関の改善

International Workshop on Superconcuctivity in Diamond andRelated Materials. 2005/12/08 at NIMS. Tukuba. Japan

地球シミュレータによってのみ可能な理論シミュレーション

ＣＮＴ/金属界面の高精度第一原理シミュレーショ
ＣＮＴ/金属界面の高精度第一原理シミュレーショ
ン
ン
背景 将来のエレクトロニクス応用
CNT
CNT
トランジスタ配線

目的 原子構造・電子物性の金属依存性手法 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

CNT/Ti（386原子）

CNT/Ti（196原子）全エネルギー04nm
2nm-160eV
CNT

CNT

0Ti

Ti
単純接合

安定化後

0

単純接合

安定接合

ナノ複合材料の特性を正確に得るためには地球シミュレータ規模の大規模計算が必要
富士通研究所 坂上、大淵電子物性
CNT/Ti

CNT/Mo
伝導に寄与する
電子状態密度伝導に寄与する
電子状態密度

単純
安定

位置（nm）

単純安定

位置（nm）

空間分布

空間分布

金属の種類に明確な違い MoよりTiに良好な伝導の可能性

今後 電気伝導度解析へ展開

10nm

トランジスタ

富士通研究所 坂上、大淵

CNT

将来のナノスケールデバイスではデバイ
ス全体でのシミュレーションが必要

細径ナノチューブの蛍光同定シミュレーション
細径ナノチューブの蛍光同定シミュレーション
カイラリティに依存した、ホットキャリアー緩和速度。
(3,3)金属ナノチューブ
速い緩和(7,0)半導体ナノチューブ
緩やかな緩和electronelectronholehole多価イオン照射によるナノカーボンの構造変化
多価イオン照射によるナノカーボンの構造変化シミュレーション
シミュレーション
Ar+8のグラファイトへの衝突（理研での実験の検証）Meguro et al. APL (2001).
イオン照射後のグラファイトのSTM像

シミュレーション：
衝突直後の電子移動から原子の動きまで手に取るようにわかる

STSでバンドギャップ6eV
IRで1350cm-1の振動数

ナノダイアモンドの出現か？

知見：Ar+8はグラファイト層の途中で止まり散乱されたC原子が他のC原子をたたいている！部分的にsp3 likeな構造(検討中！)

(3)(3) まとめ
まとめ
基礎特性物質創製
３０～５０（Max４３５）PN

使用（最大）ノード数PE

ナノ炭素超伝導物質の特性★常温超伝導物質の探索○新しい超伝導機構の提案○ダイヤモンド薄膜の高温超伝導性の可能性○大規模量子シミュレーションによるアプ
ローチ★高精度シミュレーションの実施

80（Max512）PN
CNT複合材料の創成★強固なCNTバンドルの生成法○大規模、高速化探索の完成(GSW)○CNTの接合遷移過程を明らかに。
★CNTジャンクション創製
フラーレン複合体の創成○ジャングルジム構造創成計算が進展★新奇物質の生成法★触媒反応

応用★応用、○本年度成果、★次年度

CNT金属結合の電子特性 36（Max36）PN★CNT回路電子特性○大規模高速シミュレーションを可能に。
○398原子の大規模シミュレーション実施○金属による電子伝導性の相違を発見★電気伝導度の特性

１２（Max20）PN
細径CNTの蛍光同定★ナノチューブ選別法○細径半導体CNTの螺旋度同定法の見通し
ナノカーボン構造変化★ナノダイアモンド構造の生成○グラファイトの予想外の頑丈さ○ナノダイヤモンド構造の兆候

(4)(4) 成果の公開
成果の公開
発表：★CCNT５（Computational Challenges and Tools for Nanotubes）（招待講演）★ The 3rd Nano-Simulation Technology Workshop （特別講演）★ International Workshop on Superconcuctivity（招待講演）in Diamond and Related Materials.

記事：★応用物理 ７４巻、第８号 カーボンチューブの大規模シミュレーション★培風館 カーボンナノチューブの基礎と応用 １３章

論文：★細いナノチューブのホットキャリア緩和Phys. Rev.B査読中。

05‘ 6月05’ 11月
05‘ 12月

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