@phdthesis{oai:muroran-it.repo.nii.ac.jp:00009957,
 author = {山本, 優也 and YAMAMOTO, Yuya},
 month = {2019-06-25, 2023-11-29},
 note = {application/pdf, 酸化物ガラスは原子構造の配列が非周期的であり、熱履歴によっても構造が変化する。このため、結晶性材料に比べると組成選択性が非常に高く、多くの機能を発現しやすい材料と考えられる。多様な構造を示す酸化物ガラスが効率よく探索可能になれば、新たな機能性材料の開発に貢献できると考えられる。定式化された原子間相互作用を適用する古典的分子動力学(Molecular Dynamics, MD) 計算は、大規模な計算を必要とするガラスのシミュレーションに適していると考えられる。本論文は、MD 計算に適用する原子間相互作用の新たな設定方法を開発し、様々な酸化物ガラスのシミュレーションを可能にすることを示した。MD 計算に用いる原子間相互作用は、シミュレーション結果が実験結果に一致するように試行錯誤的に設定する方法が一般的である。しかし、未知の組成も含めた広範なガラスのMD 計算を行うためには原子間相互作用の調整に際し、経験的な要素を減らす必要がある。そこで、第一原理計算の結果を利用する設定方法を開発した。まず、酸化物ガラスの組成変化に対応させたシミュレーションを行えるように、Coulomb 力項の電荷を密度汎関数理論計算より定めた。次に、二原子分子モデルのポテンシャルエネルギーを分子軌道計算から求め、これに合うように原子間相互作用を調整した。実用ガラスの基本組成であるxNa2O-(1 - x)SiO2 ガラス(0 ≦ x ≦ 0.5) へ開発した原子間相互作用を適用したところ、従来の方法で設定した原子間相互作用を適用したシミュレーションと、同等のシミュレーション結果を示すことが分かった (第2章)。次に、混合アルカリ効果を示す、0.25{xK2O-(1 - x)Na2O}-0.75SiO2 ガラス(0 ≦ x ≦ 1) に対し、開発した原子間相互作用を適用したシミュレーションを行った。アルカリ金属イオンの自己拡散係数や、モル体積の組成変化に対する傾向を再現し、実験で報告されているガラスの構造をシミュレーションで表現可能であることを示した (第3章)。実用酸化物ガラスにおいて、Al2O3 はSiO2 と共に網目形成酸化物となる。このxSiO2 - (1 - x)NaAlO2 ガラス(0 ≦ x ≦ 1) を対象に、開発した方法を適用したMD 計算を実施した。実験で報告されている原子間距離、リング構造、モル体積の組成変化の傾向に対応した結果が得られ、網目形成酸化物が二種類混合しているアルミノケイ酸塩ガラスについても適用可能であることを示した (第4章)。xNa2O - (1 - x)B2O3 ガラス(0 ≦ x ≦ 0.7) は、x の変化によりホウ素イオンが酸化物イオンと3配位もしくは4配位構造(BO4) を取る。このガラスのシミュレーションは、組成変化に対する原子間距離、モル体積、BO4 ユニット比の変化に対応した結果を示した。また、本シミュレーションではx に対し線熱膨張係数が非線形的な傾向を示すホウ酸異常を示すことができた (第5章)。以上の結果より、本研究で開発した原子間相互作用の設定方法は、多種の酸化物ガラスに対して有効であると考えられる。, This thesis explores a new optimization method of interatomic potential applied to classical molecular dynamics (MD) simulation for various oxide glasses. Oxide glass has higher probability to provide a new functional material than crystals because it has a non-periodic atomic structure arrangement. If a reasonable simulation method is developed for oxide glasses, it should contribute to the research of new functional oxide glass materials. MD is a suitable simulation method for oxide glasses that required high cost calculations. It is common that interatomic potential applied to MD has been optimized by trial and error. Reducing of the empirical parameters used for the interatomic potentials should lead MD to an effective tool for the material search. I propose a new optimization method using the results of first-principles calculations. Firstly, the charges of Coulomb force term were optimized by using the results of the density functional theory calculation for related crystals that were correspond to variation of the oxide glass composition. Next, the other parameters in the interatomic potential function were optimized by fitting the function to the potential energies calculated by the molecular orbital calculations for a simple diatomic molecule such as SiO2+ model. From the results of MD simulation applying the interatomic potential optimized by this method for xNa2O-(1 - x)SiO2 glasses (0 <= x <= 0.5), the improved reproducibility of network structure of the glass was confirmed. The interatomic potential optimized by the above method was applied to simulations of 0.25{xK2O-(1 - x)Na2O}-0.75SiO2 glasses (0 <= x <= 1). The results of the simulations indicated a tendency of mixed alkali effect known as phenomenon observed in this glass composition. In practical oxide glasses, more than one network former oxides are used. As an example of these glasses, xSiO2-(1 - x) NaAlO2 glasses (0 <= x <= 1) were chosen and the interatomic potential for these glasses was optimized. From the results of the performed MD simulation, interatomic distance, ring structure and molar volume of the glasses corresponded to the reported compositional tendencies were obtained. These results indicated the optimization method of interatomic potential can apply more complex composition glasses. It is known coordination number of boron ions in borate glasses are three or four, and the ratio of the four-coordinated boron per total boron ions depends on x of xNa2O-(1 - x)B2O3 glasses (0 <= x <= 0.7). The variation of BO4 ratio for x calculated from the MD simulation was reproduced the reported measurements. The first time as MD simulation, the variation of linear thermal expansion coefficient by x of the glasses was reproduced tendency. Based on these results, it is considered that the optimization method of interatomic potentials developed in this thesis is effective for various oxide glasses.},
 school = {室蘭工業大学, Muroran Institute of Technology},
 title = {酸化物ガラスを対象とした分子動力学計算に用いる原子間相互作用の設定方法の最適化に関する研究},
 year = {},
 yomi = {ヤマモト, ユウヤ}
}