平成１９年度 地球シミュレータ利用報告会
平成２０年１月１２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）、南一生（１）、宮本良之（３）、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）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
目次
（１）目的、研究テーマ（２）シュミレーション成果[１]素材特性把握及び新奇構造・機能発現シミュレーション[１−１]カーボンナノチューブを利用した水素吸着シミュレーション[１−２]マッカイ型炭素構造材シミュレーション[１−３]ナノ炭素超伝導シミュレーション[２]デバイス応用シミュレーション[２−１]ナノカーボンの構造変化シミュレーション[３] 高品質ナノチューブ生成プロセスシミュレーション[３−１]カーボンナノチューブ生過程シミュレーション(３）まとめ（４）成果の公開

2

目的と目的と研究テーマ
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

タイトバインディング

高速化GSW法

時間依存DFT

物質創成
応用

CNTの熱伝導・熱安定、内包・バンドルCNTの機械特性、ナノ炭素超伝導物質特性
スーパージャングルジム、フラーレンからCNT、フラーレン複合体、ナノチューブ構造変換

デバイス
応用

本年度研究テーマ

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、CNTカイラリティ同定、ナノカーボン構造変化

次年度以降

高性能タイトバインディング

第一原理モデル高性能化
マッカイ結晶創成

マッカイ結晶継続

CNT付着遷移金属の水素吸着

CNT付着遷移金属の水素吸着継続

炭素系超伝導物質特性

炭素系超伝導物質特性継続

CNT生成過程

CNT生成過程継続
CNTによるフィルタ機能CNTの伝導特性
ナノカーボン構造変化

CNTの伝導特性継続
ナノカーボン構造変化継続

3(2)シミュレーション成果(2)シミュレーショ
ン成果
・
素材特性把握及び新奇構造/機能・素材特性把握及び新奇構造/機能発現シミン
発現シミュレーショュレーション・デバイス応用シミン
・デバイス応用シミュレーショ
ュレーション・
高品質ナノ・
高品質ナノチューブ
チューブ
生成プロセスシミン
生成プロセスシミュレーショ
ュレーション4

[1]新奇構造/機能発現[1]素材特性把握及び素材特性把握及び新奇構造/機能発現シミン
シミュレーショュレーション5[1‑1] CNTを利用した水素吸着シミュレーション--- 表面π電子軌道を利用した水素吸着 --目的： 化石燃料に変わるクリーンな燃料「水素」の貯蔵方法の開発
・ CNTに付いた１個の遷移金属（Ti原子）は水素を吸着しやすい→ ４水素分子を吸着（NIST、RISTなど）

CNTに多数個の遷移金属粒子が付いた場合の水素吸着特性が明らかになっていない

本研究で、（１）CNTと多数個の遷移金属粒子との結合特性（２）多数個の遷移金属粒子と水素との吸着特性を明らかする？
6全遷移金属（Sc〜Zn）のCNT吸着特性 [(1)の課題]

強い吸着特性
2.31
2.85

2.24
2.34

Ti22[3d24s2]

Sc21[3d14s2]

V23[3d34s2]

2.06
2.18

2.23
1.62

Cr24[3d54s1]

2.16
1.93

Fe26[3d64s2]

Mn25[3d54s2]

1.94
2.24

1.95
2.14

Co27[3d74s2]

弱い吸着特性
2.11
2.31

Ni28[3d84s2]

3.16
4.83

2.17
2.27

Cu29[3d104s1]

Zn30[3d104s2]３ｄ原子の個数の違いにより、結合状態が大きく異なる

7

水素吸着に最適な遷移金属は？ [(２)の課題]
全ての遷移金属（Sc〜Zn）の水素吸着効果を、構造最適化計算により把握

Ti [3d24s2]

Zn[3d104s2]

遷移金属間相互作
用で原子が移動水素を添加
物理吸着

化学吸着

３ｄ軌道の空きは８個。強い吸着。

３ｄ軌道の空きは０個。弱い吸着。

３ｄ電子が少ないと水素の化学吸着が発生し、３ｄ電子数が多い（閉殻に近い）とゆるい水素分子吸着となる

今後「放出過程」に着手。
吸収・放出特性の両面から検討し、水素貯蔵に最適な遷移金属を明らかにする8[1-2] マッカイ型炭素構造材シミュレーション
トポロジカルに注目した
モデル化

６角形
マッカイ構造切頂八面体
空間充填表現埋め方

小さなマッカイ構造

C48

C144

C192

C424

マッカイ構造は、トポロジー的には接頭八面体の6角形を6員環と8員環で埋めた構造に分類できる

C672

大きなマッカイ構造

昨年度：C144型マッカイ構造（６角形がC144をもつ）を、(8,8)CNTから生成
本年度：C144型と大きさの異なるC48型、C192型マッカイ構造を生成

9C48型、C192型マッカイ構造創成シミュレーション結果

短いCNTCNT

長いCNT

GSW変換

マッカイ構造10CNT構造

全エネルギー

C48型マッカイ構造のGSW変換過程における構造エネルギー

エネルギー障壁：W
マッカイ構造より安定
051015GSWステップ

本年度は,エネルギー計算はHuckel法より精度の良いTight-binding法（CRTMDコード）を採用

実験への指針 → エネルギー障壁Wを越えるエネルギー励起を得
れば、CNT構造からより構造が安定なマッカイ構造体の創製が可能 11[1-3] ナノ炭素超伝導シミュレーション

超伝導転移温度 T c（K）

ホウ素ドープ・ダイヤモンドの実験結果
8

厚さ 約100μm，広さ 約10x10 mm 2のホウ素ドープ・ダイヤモンド( 1 0 0 )薄膜( 1 1 1 )薄膜

64200246810

ホウ素濃度（%）

等しいホウ素濃度でも，(100)薄膜では超伝導特性は著しく抑制されている

引用元：http://www.jaea.go.jp/02/
press2007/p07051801/hosoku.html考えられる理由

本研究の目的z ホウ素以外に水素が混入
z 格子の歪みの違い

ホウ素が理想的にドープされた場合のTcをシミュレーションし，ホウ素ドープ・ダイヤモンドの超伝導性を研究する

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(1) BCS theory (低温超伝導)(2) Antiferromagnetic spin density
fluctuation theory (高温超伝導)z 振幅の小さな格子振動（調和近似）
z 弱い電子・格子相互作用

z スピンゆらぎ(3) 新しい超伝導機構(高温超伝導)-z 振幅の大きな格子振動（調和近似＋非調和近似）
z 強い電子・格子相互作用→電荷ゆらぎが発達（電子系＋格子系）
z スピンゆらぎzクーロンポテンシャルが遮蔽+されずに長距離まで働く-+++++++++++-

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計算手法
計算手法
PVCRTMDコード
炭素原子の位置

電子のとび移り
積分の揺らぎ
電荷揺らぎ

炭素原子の熱平衡位置

前年度までの実績
z電子相関を静的平均場近似から動的平均場近似へと精度を向上させた
z炭素原子の数を増やし（５１２原子→４０９６原子），低ホール濃度領域での超伝導転移温度とホール濃度との関係を得た

電子間有効相互作用＋エリアシュベルグ方程式→転移温度

今年度の成果●原子核の動きを考慮した電子間の直接クーロン相互作用を加え精度を向上させた●炭素の原子数を増やし(8192原子）
精度を向上

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ホールド
ホールドープさープされたダイヤモンド
れたダイヤモンドの計算結果の計算結果
Performance of PVCRTMD codeon 256 nodes (2048 PEs)of the Earth Simulator

16.38 Tflops (peak)

20Tflops

フォノンのスペクトル状態密度（3%ドープ）

159.87 Tflops(sustained 60.2%)1050(a) 直接クーロン相互作用の変化を無視（
前年度） (b) 直接クーロン相互作用の変化を考慮
80

超伝導転移温度（K）

超伝導転移温度（K）

8060

ホール濃度の実験的な上限

402000510

ホール濃度（%）

1560
ホール濃度の実験的な上限

402000510
ホール濃度（%）

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本年度は原子核の動きを考慮した電子間の直接クーロン相互作用を導入→実験結果よりも高い超伝導転移温度（Tc ）が得られた （実験で生じる不純物散乱、格子ひずみを取り15除いた高品質のダイヤモンド超伝導体では高いTｃ が期待できる）

[2]デバイス応用シミュレーショ
ン[2]デバイス応用シミュレーション16[2-1] ナノカーボンの構造変化シミュレーション
高強度のパルス光にて物質構造変化を誘起できる事が実験で報告されている。
実験のシミュレーションを可能とするようプログラムを改良(a)のグラファイトの層に(b)のパルス波を与えた

今後改良したプログラムを用い本格的シミュレーションを開始

エネルギーの保存を確認→プログラムの数値安定性を確認出来た
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[3]高品質ナノチューブ生成プロセス[3]高品質ナノチューブ生成プロセス
シミン
シミュレーショュレーション18[3-1] CNT生成過程シミュレーション
スーパーグロース法などによる純度の良い長尺CNTの作成法の発展は目覚しい。しかし、その成長メカニズムが未解決。

CVD法による鉄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する。
CNTの成長には、CNTと鉄クラスターとの格子構造が良い整合性をもつ場合に限り、炭素は鉄クラスターからCNTへ供給されると考えられる。

(0,0,1)

整合性に焦点をあて、最初に鉄微粒子[ 鉄γクラス
ター（FCC構造）５５原子] とCNT [ （８，０）CNT] との界面構造の連続性を調べた→ 構造は壊れず、整合性が非常に良い→今後、CNT成長時の界面における鉄、炭素挙動を解明する。
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まとまとめめ
物質創製応用80（Max512）
PN

CNT付着遷移金属の水素吸着特性★水素貯蔵○各遷移移金属の水素吸着特性を明らかにした◇水素の吸収・放出特性のバランスから最適な遷移金属を選ぶ

マッカイ結晶の創成★新奇物質の生成法○CNTからマッカイ構造への創成経路
及び生成時の結合エネルギーの閾値を詳細化した。→実験家への指針とした

デバイス応用36（Max36）PNCNT金属結合の電子特性★CNT回路電子特性○高強度バルスによる物質構造変化のシミュレーションコードの開発を完了◇実験をシミュレーションで検証○CNT伝導特性コード開発◇開発完了
使用（最大）
ノード数PE★応用、○本年度成果、◇次年度

ナノ炭素超伝導物質の特性★常温超伝導物質構造の探索○BCS理論よりも高い超伝導温度が得られる可能性を示した。（但し、フォノン系。実験において不純物、格子歪が無い条件）◇シミュレーションモデルの高精度化

CNT生成過程★高純度長尺CNT製造法○C生成初期条件におけるCNT/Fe微粒子の界面構造を把握。→崩れないで安定かつ整合性が良い◇CNT成長時の界面構造の動的変化の把握

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成果の公開成果の公開
a.原著論文（査読あり）(1)"Ultrafast reconstruction of graphite by irradiating with highly charged ions"Y. Miyamoto, Applied Physics Letters, Vol. 91, p113120 (2007).
(2) "A New Large Scale Simulation for Evaluating Superconductivity"
S. Nakamura, S. Tejima, M. Tachiki, H. Nakamura, D. Tomanek, Journal of Computational and TheoreticalNanoscience （投稿中）(3) "Large Scale Simulations for Carbon Nanotubes"
S. Tejima, K. Minami, M. Iizuka, N. Park, H. Nakamura、S. Berber, and D. Tomanek, Journal of Computational andTheoretical Nanoscience （投稿中）b.原著論文（査読なし、雑誌等寄稿）(1)大規模シミュレーションによる炭素系超伝導体の研究/中村賢、手島正吾、飯塚幹夫、中村壽、RISTNEWS、No.44、2007
c.学会等発表（ポスターセッションの場合はその旨記載）(1) "Deformation of sp2 Graphitic Nanostructure by Irradiation with Highly Charged Ion ",Y. Miyamoto as contributed talk at APS March Meeting (2007).
(2) "大規模シミュレーションによる炭素系超伝導体の研究", 中村賢，立木昌，中村壽,
日本物理学会 2007年春季大会、鹿児島大学，2007年3月21日(水)(3) "A New Method for Calculating the Dielectric Response Function ‑ Application to hole‑doped diamondsuperconductors ‑", S. Nakamura, International Symposium on Frontiers in Computation Science of Nanoscale
Transport (Poster Session), Tokyo University of Science, Tokyo, 7th(Thu) June, 2007(4) "New Large Scale Simulation for Evaluating Superconductivity", S. Nakamura, S. Tejima, D. Tomanek, and H.
Nakamura, SC2007, HPCNano07 workshop, Reno‑Sparks Convention Center, Reno, NV, 16th(Fr) November, 2007
(5) Electron‑Ion Dynamics throughout Collision of Highly‑Charged Ar on Stacked Graphite and Subsequent
Structural Change, Y. Miyamoto, Third Symposium on Computational Challenges and Tools for Nanotubes (CCTN07),
Rio de Janeiro, Brazil, June 22, 2007
(6) Large Scale Density functional simulation of Hydrogen adsorption on Carbon, S. Tejima, Third Symposium on
Computational Challenges and Tools for Nanotubes (CCTN07), Rio de Janeiro, Brazil, June 22, 2007
d.講演(1)第４回Cray HPC Conference 2007、“大規模ナノシミュレーションへの挑戦”/南 一生、2007年1月25日、東京(2)地球シミュレータ産業利用シンポジウム/手島正吾, 2007年12月6日、東京

21カーボンナノシミ
ュレーショ
ン研究会
カーボンナノチューブ・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
藤澤 義和
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
富士通研究所独立行政法人 物質・材料研究機構
本田技術研究所
財団法人 高度情報科学技術研究機構

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