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論文

First-principles calculation of multiple hydrogen segregation along aluminum grain boundaries

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 都留 智仁; 松田 健二*; 戸田 裕之*

Computational Materials Science, 156, p.368 - 375, 2019/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:15.49(Materials Science, Multidisciplinary)

金属の応力腐食割れメカニズム解明を目的として、アルミニウム結晶粒界に対する水素偏析の影響を第一原理計算により調べた。水素の溶解度が高い場合には、高エネルギー粒界には水素の偏析が可能であることが分かった。またアルミニウム粒界には水素が大量に偏析可能であり、それとともに粒界が膨張することで電子密度が低下していき、その結果粒界の凝集エネルギーが大きく低下することが分かった。

論文

First-principles study of hydrogen segregation at the MgZn$$_{2}$$ precipitate in Al-Mg-Zn alloys

都留 智仁; 山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 椎原 良典*; 松田 健二*; 戸田 裕之*

Computational Materials Science, 148, p.301 - 306, 2018/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.59(Materials Science, Multidisciplinary)

高強度の7000番台アルミニウム合金の水素脆化はAl合金の実用における重要な問題と考えられてきた。しかし、近年の観察技術の発展にもかかわらず、Al合金中の水素の挙動を実験的に捉えることは非常に困難である。本研究では7000番台の特徴であるMgZn$$_{2}$$析出物に着目して、析出物内部及びAl-析出物界面における水素偏析を第一原理計算を用いて体系的に検討した。零点エネルギーを考慮したトラップエネルギー解析により、MgZn$$_{2}$$の内部には9つの格子間サイトが存在することが確認されたものの、Alの四面体サイトより不安定であることから析出物内部への偏析は生じないことがわかった。一方、Al-析出物界面の安定なサイトではトラップエネルギーが-0.3eVと非常に大きいことがわかった。これはAl中の粒界などのトラップサイトより大きく、Al-析出物界面がAl合金中の優先的な偏析サイトになることを示唆している。

論文

Density functional theory study on the geometric and electronic structures of Fe$$_{2}$$O$$_{2}$$ and the reaction of Fe$$_{2}$$ + O$$_{2}$$

中沢 哲也

Computational Materials Science, 146, p.334 - 345, 2018/04

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

Fe$$_{2}$$O$$_{2}$$の可能な構造に対して最も安定した異性体を得るためB3LYP及びBroken-symmetry (BS)法を取り入れたB3LYPを用いた計算を行った。得られた安定異性体に基づいてrhombic Fe$$_{2}$$($$mu$$-O)$$_{2}$$に向かうFe$$_{2}$$とO$$_{2}$$の反応機構を調べた。Fe$$_{2}$$($$mu$$-O)$$_{2}$$のBS-singletが全てのFe$$_{2}$$O$$_{2}$$異性体で最安定状態にある。Open-cycle ($$eta^{1}$$-O)Fe$$_{2}$$($$mu$$-O)の$$^{9}$$A"とnear-linear OFeOFeの$$^{3}$$Aが2番目、3番目に安定な異性体である。安定異性体に対して計算した振動数は過去の理論や実験研究と一致した。Rhombic Fe$$_{2}$$($$mu$$-O)$$_{2}$$に向かうFe$$_{2}$$とO$$_{2}$$の反応に対して計算したsingletとnonetのポテンシャルエネルギー面からこの反応はnonetからsingletへのスピン反転を経て断熱的に進むことを示唆している。反応中間体や最終生成物のFe-O結合はイオン結合及び共有結合の両方の特徴を持ち、そして、FeからOへの大きな電荷移動のため高い分極率を持つことをNBO解析は示している。

論文

A Density functional theory investigation of the reactions of Fe and FeO$$_{2}$$ with O$$_{2}$$

中沢 哲也; 加治 芳行

Computational Materials Science, 117, p.455 - 467, 2016/05

 被引用回数:4 パーセンタイル:65(Materials Science, Multidisciplinary)

Fe及びFeO$$_{2}$$とO$$_{2}$$の反応過程と反応生成物をB3LYP/6-311+G(d)のレベルで調べた。これらの反応はポテンシャルエネルギー曲線、反応種間の相互作用エネルギー、Fe原子とO$$_{2}$$分子の励起に必要なエネルギーを求め、それらをもとに反応過程を検討した。反応生成物のNBO及びMulliken解析と振動計算も行った。基底状態のFe原子とO$$_{2}$$は障壁エネルギーを伴う非断熱的遷移や垂直励起エネルギーによるFe(O$$_{2}$$)からの遷移によってOFeOは形成される。この結果はFe原子とO$$_{2}$$分子は低温ではなく高温で反応することを示している。また、OFeOとO$$_{2}$$は吸熱的反応によって$$eta^{2}$$-及び$$eta^{1}$$-(O$$_{2}$$)FeO$$_{2}$$複合体を生成する。さらに、低い光エネルギーが複合体間での可逆遷移を可能にしている。得られた生成物のNBO解析から、生成物の原子電荷はFeとOの間で生じる電子移動や反応種(Fe$$^{+}$$, O$$_2^{-}$$)本来のイオン的特性に由来することがわかった。

論文

Application of hyper-molecular dynamics to self-interstitial diffusion in $$alpha$$-iron

阿部 陽介

Computational Materials Science, 74, p.23 - 26, 2013/06

 被引用回数:5 パーセンタイル:71.98(Materials Science, Multidisciplinary)

遅い状態間遷移過程を加速計算することが可能なhyper-molecular dynamics(hyper-MD)を$$alpha$$鉄中での自己格子間原子(SIA)の拡散過程に対して適用した。局所的バイアスポテンシャルを用いることにより、通常のMDにより得られるダイナミクスを維持しながらも状態間遷移の遅い低温域での拡散過程を極めて大きく加速できることを示した(300Kにおいて5桁の加速)。この結果により、適切な局所的バイアスポテンシャルを用いることにより、バルク中でのSIAの拡散過程に対してhyper-MDが適用可能であることを実証した。

論文

Structural, bonding, and magnetic properties of Fe$$_{n-x}$$Si$$_{x}$$ ($$n$$, $$x$$ $$leq$$ 6) clusters; Theoretical investigation based on density functional theory

中沢 哲也; 加治 芳行

Computational Materials Science, 68, p.350 - 360, 2013/02

 被引用回数:4 パーセンタイル:76.92(Materials Science, Multidisciplinary)

Fe, Si、及びFe-Siクラスターの構造,結合及び磁気特性をUB3LYP/LanL2DZレベルで求めた。これら特性へのSi置換効果を確認した。Feクラスターの凝集力は逐次的なSi置換によって非単調に増加する。多くの混合クラスターの結合長はSi置換による大きな影響は受けないが、高いs性の混成軌道で形成された少数のSi-Si結合の長さはSiダイマーの結合長以下である。一方、隣接した幾つかのエクアトリアル原子間の距離は著しく大きく、そこには結合の形成がない。平均磁気モーメントはSiの増加とともに非単調に減少し、Siクラスターのその値に近づく。混合クラスターのSi上の小さな局所磁気モーメントはFe上の大きな局所磁気モーメントと反強磁性の関係にある。Si置換によるFeクラスターの特性変化はFeから周辺Siへの電子移動に起因している。

論文

Structural, bonding, and magnetic properties of small Fe$$_{n-x}$$Mo$$_{x}$$ ($$n$$, $$x$$ $$leq$$6) clusters

中沢 哲也; 加治 芳行

Computational Materials Science, 55, p.365 - 375, 2012/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:78.86(Materials Science, Multidisciplinary)

The structural, bonding, and magnetic properties of clusters of Fe$$_{n}$$, Mo$$_{n}$$n, and Fe$$_{n-x}$$Mo$$_{x}$$ ($$n$$ = 2-6, $$x$$ = 1-6) optimized at the B3LYP/LanL2DZ level with symmetry constraints are determined. The effects of the substitution of Mo in Fe$$_{n}$$ on the properties of Fe$$_{n}$$ are identified and discussed. While the cohesion of the Fe cluster is affected only to a small extent by the Mo substitutions, the structure of the cluster changes remarkably. In the mixed Fe-Mo clusters, the Mo-Mo bonds are shorter than the Fe-Fe and Fe-Mo bonds. The smaller distances between adjacent Mo atoms result from the strong d-contribution to bonding. On the other hand, the larger distances between Fe atoms mostly result from the strong magnetic repulsion associated with ferromagnetic coupling. The local moments of the Mo atoms are aligned in antiferromagnetic order. The variations in structural and magnetic properties of Fe clusters due to the Mo distributions are considered to be closely associated with the mechanical and magnetic hardening of Fe-Mo alloys.

論文

Grain growth prediction with inclination dependence of $$langle 110 rangle$$ tilt grain boundary using multi-phase-field model with penalty for multiple junctions

廣内 智之*; 都留 智仁; 渋谷 陽二*

Computational Materials Science, 53(1), p.474 - 482, 2012/02

 被引用回数:13 パーセンタイル:50.41(Materials Science, Multidisciplinary)

粒界におけるミスフィットと界面移動度の再現のため、粒界の多重点の高次項を表現するマルチフェイズフィールド(MPF)モデルを提案した。ここで、分子動力学法によって得られた粒界エネルギーを用いることで、$$Sigma 3 {111}$$粒界のエネルギーカスプなどのより詳細な界面特性の情報をMPFモデルと連結した。その結果、導入した高次項により安定した粒移動が再現され、さらに変形双晶が残る材料に対する再結晶の組織の挙動を再現することが可能になった。

論文

Fast calculation approach to semi-empirical molecular orbital method using real space division method

五十嵐 誉廣; 中沢 哲也; 鈴木 知史; 都留 智仁; 加治 芳行

Computational Materials Science, 50(12), p.3346 - 3349, 2011/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:93.61(Materials Science, Multidisciplinary)

10万原子を超える系の量子的な原子間結合力を得るための新たな手法を開発した。開発手法では、半経験分子軌道法と空間分割法を組み合わせることで、電子構造や原子間結合エネルギーなど、大規模原子系の量子的解析を可能としている。開発した手法を用いて、SiH$$_{4}$$分子とシリカ結晶について結合次数と結合エネルギーの解析を行った。解析の結果、開発した手法は第一原理計算と同等の精度を保ちつつ、非常に早い速度で解析可能であることを確認した。

論文

Density functional investigation of Fe$$_{n}$$ clusters (n $$leq$$ 6) with Cr substitutions; UB3LYP/LanL2DZ calculation

中沢 哲也; 五十嵐 誉廣; 都留 智仁; 加治 芳行

Computational Materials Science, 50(3), p.982 - 990, 2011/01

 被引用回数:6 パーセンタイル:70.47(Materials Science, Multidisciplinary)

対称性のもとUB3LYP/LanL2DZレベルで構造最適化したFe$$_{n}$$, Cr$$_{n}$$, Fe$$_{n-x}$$Cr$$_{x}$$($$n$$=2-6, $$x$$=1-6)クラスターの構造変数,結合エネルギー及び電子構造等を求めた。Fe$$_{n}$$のこれらの特性へのCr置換効果を確認した。Fe$$_{n}$$の結合エネルギーは連続的なCr置換により徐々に減少した。ほとんどのFe-CrクラスターではFe-Fe及びFe-Cr結合に比べてCr-Cr結合の方が長く、Fe-Fe, Fe-Cr, Cr-Cr結合の順に結合長は長くなっている。Fe-CrクラスターにおけるCr-Cr結合のようなより長い結合長は原子間に働く磁気的フラストレーションによる強い反発によって生じている。これはCr置換に起因した電子構造の変化、特に結合への4sや3d電子の寄与の程度と関連している。

論文

Ab initio calculations of Fe-Ni clusters

中沢 哲也; 五十嵐 誉廣; 都留 智仁; 加治 芳行

Computational Materials Science, 46(2), p.367 - 375, 2009/08

 被引用回数:18 パーセンタイル:41.63(Materials Science, Multidisciplinary)

Fe, Ni、及びFe-Niクラスターについて密度汎関数法を基礎とした計算科学的手法により調べた。クラスターの構造はUB3LYP/LanL2DZレベルにおいて対称性の制約のもと最適化した。本研究では平衡構造と結合エネルギーを示し、密度解析の結果や電子配置とともに議論した。さらに、Fe$$_{n-x}$$Ni$$_{x}$$クラスターの結合エネルギーはFe原子のNi原子での連続的な置換によって緩やかに減少することがわかった。異性体間における全エネルギーの比較からFe-Niの混合クラスターではNi原子はエネルギー的にクラスタリングをしやすいことが明らかとなった。本研究は、照射した圧力容器で観察されているNiクラスターやステンレス鋼で見られる照射誘起偏析のNi富化などの実験結果と定性的に一致している。

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