Updated on 2025/09/30

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OBA FUMIYASU
 
Organization
Institute of Integrated Research Materials and Structures Laboratory Professor
Title
Professor
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News & Topics
  • 協奏的動きがもたらす多価イオン拡散の促進現象を発見 リチウムイオン蓄電池よりも性能の高い次世代蓄電池の開発促進に期待

    2018/08/17

    Languages: Japanese

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    東北大学金属材料研究所(金研)は、東京工業大学と共同で、一価イオンのLi+と多価イオンであるMg2+の相互作用により、通常は遅い正極中での多価イオン拡散(移動)が、顕著に促進される現象を初めて発見しました。これにより、多価イオンを用いる次世代蓄電池系の開発促進が期待されます。

  • 高効率スクリーニングによる新しい2価スズ酸化物系光触媒材料の発見

    2016/08/05

    Languages: Japanese

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    概要 京都大学 工学研究科 材料工学専攻、林博之助教と田中功教授らと、東京工業大学 大場史康教授、名古屋工業大学 壬生攻教授らは、共同研究により、新しい2価スズ(以下、Sn(II))酸化物系光触媒材料を発見しました。同グループでは様々な結晶構造を持つ約3500種のSn(II)複合酸化物を対象に、量子力学に基づいた第一原理計算[用語1]を系統的に実施することで、熱力学的安定性や物性を予測し、高効率にスクリーニングしました。その結果、SnMoO4を新しい光触媒材料の候補物質として見いだしました。この物質はこれまでに合成報告がなく、結晶構造も未知でしたが、同グループではピンポイントでの物質合成と光触媒活性の実験に取り組み、この物質が計算により予測されたとおりの結晶構造を持ち、優れた光触媒特性を示すことを実証しました。本研究の成功は、このような理論計算主導での物質探索の有効性を確認したものです。今後は、光触媒分野に限らず、汎用的・効率的な材料開発技術としての重要性を大きく増すものと期待されます。本研究は、科学研究費補助金・新学術領域「ナノ構造情報のフロンティア開拓―材料科学の新展開」(領域代表者 田中功 平成25年度から29年度)および科学技術振興機構イノベーションハブ構築支援事業「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ(MI2I)」における成果であり、その成果はドイツの科学誌Advanced Science誌9月14日号に掲載されます。

  • Computational materials screening and high-pressure synthesis reveal a promising nitride semiconductor for optoelectronics

    2016/06/23

    Languages: English

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    Researchers use simulations to identify previously undiscovered semiconductors with promising attributes for optical and electronic applications. A nitride among those proposed has been successfully fabricated using high-pressure synthesis and is found to emit red light.

  • 希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見

    2016/06/22

    Languages: Japanese

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    発光デバイスや太陽電池への応用に期待マテリアルズ・インフォマティクスが物質探索を加速できることを実証窒素化合物に限らず新物質開拓の新たな道を開く

Degree

  • Ph. D. (Engineering) ( 2000.9   Kyoto University )

Research Interests

  • Computational Materials Science, Materials Informatics, Semiconductors, Inorganic Materials

  • 表面・界面

  • 第一原理計算

  • マテリアルズインフォマティクス

  • 半導体

  • 点欠陥

  • 無機材料

Research Areas

  • Nanotechnology/Materials / Inorganic materials and properties

  • Nanotechnology/Materials / Metallic material properties

Education

  • Kyoto University   Graduate School of Engineering   Deprtment of Materical Science and Engineering

    1998.4 - 2000.9

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    Country: Japan

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  • Kyoto University   Graduate School of Engineering   Deprtment of Materical Science and Engineering

    1996.4 - 1998.3

      More details

    Country: Japan

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  • Kyoto University   Faculty of Engineering

    1992.4 - 1996.3

      More details

    Country: Japan

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Research History

  • 神奈川県立産業技術総合研究所   プロジェクトリーダー(兼任)

    2025.4

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  • Institute of Science Tokyo   Institute of Integrated Research   Professor

    2024.10

      More details

  • Tokyo Institute of Technology   Professor

    2022.10 - 2024.9

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  • Tokyo Institute of Technology   Professor

    2016.4 - 2022.9

      More details

  • 物質・材料研究機構   情報統合型物質・材料研究拠点   招聘研究員・特別研究員(兼任)

    2015.8 - 2020.3

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  • Tokyo Institute of Technology   Materials and Structures Laboratory   Professor

    2015.4 - 2016.3

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  • Tokyo Institute of Technology   Materials Research Center for Element Strategy

    2013.2 - 2015.3

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  • Kyoto University   Graduate School of Engineering, Deprtment of Materical Science and Engineering   Associate Professor

    2009.8 - 2015.3

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  • Kyoto University   Graduate School of Engineering, Deprtment of Materical Science and Engineering

    2004.2 - 2009.7

      More details

  • The University of Tokyo   The Faculty of Engineering

    2001.4 - 2004.1

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  • The University of Tokyo   The Faculty of Engineering

    2000.10 - 2001.3

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Professional Memberships

Papers

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MISC

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Awards

  • 令和7年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 科学技術賞 研究部門

    2025.4  

    大場史康

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  • 第42回優秀ポスター賞

    2024.3   日本金属学会  

    長藤瑛哉, 我毛智哉, 裵星旻, 高橋亮, 大場史康

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  • 第40回優秀ポスター賞

    2023.3   日本金属学会  

    石井孝憲, 高橋亮, 長藤瑛哉, 大場史康

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  • 学術賞

    2022.11   日本セラミックス協会  

    大場史康

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  • MRS-J貢献賞

    2019.11   日本MRS  

    吉矢真人, 大場史康, 田村 友幸, Fisher Craig A. J., Raebiger Hannes, 上杉徳照, 小谷岳生, 香山正憲

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  • 第41回応用物理学会解説論文賞

    2019.9  

    大場史康, 熊谷悠

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  • 第35回井上学術賞

    2019.2  

    大場史康

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  • 手島精一記念若手研究賞

    2018.2  

    大場 史康

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  • 第75回日本金属学会功績賞

    2017.3  

    大場 史康

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  • 日本金属学会2016年(第159回)秋期講演大会優秀ポスター賞

    2016.9  

    西谷宣彦, 原田航, 熊谷悠, 赤松寛文, 大場史康

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  • STAM Best Paper Prize 2013

    2013.12  

    F. Oba, M. Choi, A. Togo, I. Tanaka

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  • 第9回日本金属学会村上奨励賞

    2012.9  

    大場 史康

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  • 第31回本多記念研究奨励賞

    2010.5  

    大場 史康

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  • 第14回日本金属学会奨励賞 [物性部門]

    2004.9  

    大場 史康

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    Country:Japan

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  • 第29回日本セラミックス協会学術写真優秀賞

    2004.3  

    佐藤幸生, 淀川正忠, 山本剛久, 大場史康, 幾原雄一

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  • First Place in the TEM Category, American Ceramic Society Ceramographic Competition

    2003.4  

    F. Oba, H. Ohta, H. Hosono, T. Yamamoto, Y. Ikuhara

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  • 第27回日本セラミックス協会学術写真優秀賞(2)

    2002.3  

    山本剛久, 大場史康, 幾原雄一

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    Country:Japan

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  • 第27回日本セラミックス協会学術写真優秀賞(1)

    2002.3  

    大場史康, 太田裕道, 山本剛久, 幾原雄一

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Research Projects

  • 点欠陥再構成構造の網羅的理論予測と機能開拓

    Grant number:24K21683  2024.6 - 2026.3

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)

    大場 史康, 高橋 亮

      More details

    Grant amount:\6370000 ( Direct Cost: \4900000 、 Indirect Cost:\1470000 )

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  • オキシカルコゲナイドの欠陥学理の構築とワイドギャップ半導体の設計・開拓への展開

    Grant number:24H00376  2024.4 - 2028.3

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    大場 史康, 平松 秀典, 高橋 亮

      More details

    Grant amount:\47580000 ( Direct Cost: \36600000 、 Indirect Cost:\10980000 )

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  • 化学結合記述子の構築に向けた空孔支配型材料のハイスループット研究

    Grant number:23KF0224  2023.11 - 2026.3

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特別研究員奨励費

    大場 史康, HEMPELMANN JAN

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    Grant amount:\2000000 ( Direct Cost: \2000000 )

    本研究では、比較的高濃度の原子空孔を含む相変化材料、超伝導体、蓄電池電極材料を対象に、材料特性に関わる原子空孔近傍での電子状態・化学結合状態の変化に着目して俯瞰的な理論解析を行うことを目的としている。とくに相変化材料において、相変化メカニズムの詳細が理解されていないことが更なる材料設計・探索を難航させている。このような状況を打開することを目指して、本研究分担者らが独自に開発してきた化学結合状態の様々な解析手法と本研究代表者らが開発を進めている高精度と高速を両立したハイスループット第一原理計算手法を組み合わせ、さらにはデータ科学的アプローチも取り入れることで、電子状態・化学結合状態の俯瞰的な理解と材料設計・探索の指針の構築に向けた研究に着手した。そして、その知見に基づいて新たな有望材料の提案へと展開することを最終目標として研究を推進した。
    本年度は、まず、スーパーコンピュータ上での第一原理計算及び電子状態・化学結合状態解析プログラムの実行環境の構築を進めた。そして、リチウムイオン電池正極材料として重要なLiFePO4を主要なターゲットとして、その電子状態、磁気構造等の基礎的な特性の観点から第一原理計算に用いる近似や手法を検討した。また、ユニットセルを拡張したスーパーセルにおいて様々な原子空孔の濃度及び配置をカバーしたシミュレーションモデルを考慮し、予備的な第一原理計算の実行及び電子状態・化学結合状態の解析を行った。

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  • ワイドギャップ半導体におけるケミカルドーピングの学理構築と新材料開拓

    Grant number:20H00302  2020.4 - 2025.3

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    大場 史康, 野瀬 嘉太郎, 高橋 亮

      More details

    Grant amount:\44590000 ( Direct Cost: \34300000 、 Indirect Cost:\10290000 )

    系統的な第一原理計算とその結果の機械学習により、無機化合物における固有点欠陥の形成挙動・電子状態と様々な形態でのドーパント添加によるキャリアドーピングの有効性を、半導体としての応用に関わる種々の基礎物性と併せて俯瞰的に考察し、ワイドギャップ半導体の設計・探索の指針を構築することを最終目的として研究を推進した。本年度は、昨年度から開発を進めている高精度と高速を両立させたハイスループット第一原理計算及び機械学習に基づいた基礎物性・安定性・キャリアドーピングの予測技術の高度化を進めるとともに、特定の既知・新規物質の基礎物性と点欠陥・キャリア形成挙動の詳細な考察、候補物質のハイスループットスクリーニングの試行、予測された物質の合成と電子・光学物性評価を継続した。その結果として、代表的なp型ワイドギャップ半導体である銅系複合酸化物の固有点欠陥とドーパントを改めて理論的に検討し、ドーピングに関わる様々な因子を明らかにすることで、新材料系を用いたp型ワイドギャップ半導体の設計及び探索のための有益な指針を得た(2021年10月にPhysical Review Materials 誌に出版)。また、3元系亜鉛窒化物に関して、2つの新物質の存在とそれらの結晶構造、電子構造、光学物性、点欠陥特性を第一原理計算により予測するとともに、各物質の合成及び評価実験から結晶構造と光学物性に関する理論予測を実証した(2021年4月及び10月にChemistry of Materials誌に2編の論文を出版)。その他、ハイスループット第一原理計算及び機械学習を用いた物質探索の効率化手法の開発に関して、上記の最終目的を達成する上での基盤的な成果を得た。

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  • In silico design, synthesis, and device fabrication of novel nitride semiconductors

    Grant number:17H01318  2017.4 - 2021.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    Oba Fumiyasu

      More details

    Grant amount:\43290000 ( Direct Cost: \33300000 、 Indirect Cost:\9990000 )

    Promising new nitride semiconductors were proposed by in silico materials design and screening of candidate materials based on accurate and multifaceted first-principles calculations and machine learning. Design and selection guidelines were constructed based on detailed theoretical investigations of known nitride semiconductors, and several promising materials were identified by in silico screening using these guidelines. Moreover, theoretical predictions on bandgap tuning and carrier doping of selected nitride semiconductors were experimentally verified.

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  • Development of computational techniques for discovering novel semiconductors from first principles

    Grant number:15H05541  2015.4 - 2018.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Young Scientists (A)

    Kumagai Yu, OBA Fumiyasu, TSUNODA Naoki

      More details

    Grant amount:\23920000 ( Direct Cost: \18400000 、 Indirect Cost:\5520000 )

    Thanks to the progress on the computer power and first-principles calculation techniques, it becomes possible to seek for new materials from first-principles calculations nowadays. As a result, computational material databases have been continuously developed by some groups in the world in the past decade. Such databases are very useful for discovering novel materials. However, discovery of new semiconductors with such databases was difficult in general because physical properties related to semiconductor applications are widespread, and some of them are difficult or even impossible to calculate from first-principles. Therefore, in this study, we have developed theory, calculation techniques and programs that are indispensable for discovering semiconductor materials from first-principles calculations.

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  • Development of a computational approach for accurate prediction of material properties and its application to the search for novel photovoltaic materials

    Grant number:15H04125  2015.4 - 2017.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    Oba Fumiyasu, HINUMA Yoyo

      More details

    Grant amount:\12610000 ( Direct Cost: \9700000 、 Indirect Cost:\2910000 )

    The increasing demands for photovoltaic cells have stimulated the search for alternative photoabsorber materials recently. The materials search process is made to be efficient if the properties and stability of materials are accurately predicted using computer simulations. In this study, we have developed a first-principles approach to the prediction of material properties and stability, and applied it to the search for photoabsorber materials. The results include the prediction of a novel nitride semiconductor and its experimental verification, demonstrating the accelerated materials discovery by the computer-assisted materials search.

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  • Research for synthesis of BCN crystals and their characterizations

    Grant number:26248061  2014.4 - 2017.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    Taniguchi Takashi

      More details

    Grant amount:\42900000 ( Direct Cost: \33000000 、 Indirect Cost:\9900000 )

    BCxN alloys with 2-dimensional(2D) and 3D crystals structure may exhibit unique properties. Purposes of this study are synthesis of high quality BCxN crystals and realization for their new functions. Doping of Carbon in high quality hBN crystals affects their band-edge nature. Boron and Nitrogen co-doping in diamond also modify its optical natures. High resolution structural characteristics of diamond/cBN hetero-junction exhibit unique features. BCxN crystals with rare x quantity and diamond/cBN bonding nature were studied. In the former study gave requirement for hBN crystals as substrates for 2D devices and the latter gave new concept of device structure in diamond/cBN.

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  • 2次元単層物質ヘテロ接合による光吸収層の第一原理計算による検討

    Grant number:14F04792  2014.4 - 2017.3

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特別研究員奨励費

    大場 史康, BURTON LEE, BURTON Lee

      More details

    Grant amount:\2300000 ( Direct Cost: \2300000 )

    第一原理計算により2次元層状物質等の新しい光吸収層代替材料を効率的に設計・探索することを目指して、3つのサブテーマに関して研究を行った。
    サブテーマ1「2次元材料の電子・光学特性の理論予測」に関する主要な成果として、2次元構造を有するSnカルコゲナイドの電子・光学物性、相安定性並びに点欠陥形成挙動とキャリア生成機構の解明が挙げられる。(Chemistry of Materials 2016, Physical Review Letters 2016, Physical Review Applied 2017他)
    サブテーマ2「進化的アルゴリズムによる新物質の結晶構造探索」の成果として、11種類の新規3元系亜鉛窒化物半導体の予測が挙げられる。そのうち、直接遷移型のバンド構造、小さい電子・ホール有効質量等、半導体として有望な特性を有することが理論予測され、かつ構成元素に希少元素を含まないCaZn2N2について、予測された赤色発光等の電子・光学特性を実験を担当した共同研究者が実証することに成功している。(Nature Communications 2016)
    サブテーマ3「薄膜太陽電池のための積層構造の設計とヘテロ界面の特性の予測」に関する主な成果として、SnSと金属電極界面の計算から、SnSを光吸収層に用いた薄膜太陽電池の効率向上のための電極材料を提案した。(Journal of Materials Chemistry A, 印刷中)

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  • First-principles design and screening of photoabsorber materials for next generation photovoltaics

    Grant number:26630316  2014.4 - 2016.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

    Oba Fumiyasu, HINUMA YOYO

      More details

    Grant amount:\3900000 ( Direct Cost: \3000000 、 Indirect Cost:\900000 )

    Intermediate-band solar cells are attractive because of their high theoretical energy conversion efficiencies. The photoabsorber material is the key to the technology but it has not been well optimized. In the present study, photoabsorber materials for intermediate-band solar cells were searched via first-principles calculations. The materials proposed include not only transition-metal doped binary semiconductors but also ternary semiconductors without dopants.

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  • Exploration of nanostructure-property relationships

    Grant number:25106005  2013.6 - 2018.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

    Tanaka Isao, SEKO Atsuto, HAYASHI Hiroyuki

      More details

    Grant amount:\145860000 ( Direct Cost: \112200000 、 Indirect Cost:\33660000 )

    This study aims to develop frameworks for materials design using nanostructure datasets including atomic configurations, electronic structures localized at surfaces, interfaces and point defects. We developed i) thermodynamics-based methods for generating nanostructure datasets from first principles such as machine-learning interatomic potential and ii) machine learning-based techniques for discovering new functional materials. These data-mining approaches based on exhaustive first-principles calculations are expected to be useful for exploring new materials and unknown structures.

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  • Structure and phase stability of alloys based on systematic first principles thermodynamics calculations

    Grant number:23246111  2011.4 - 2014.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    TANAKA Isao, OBA Fumiyasu, SEKO Atsuto

      More details

    Grant amount:\49530000 ( Direct Cost: \38100000 、 Indirect Cost:\11430000 )

    Statistical thermodynamics plays a crucial role in modern materials science. The free energy of compounds is indispensable for discussing the phase stability. In general, a number of phenomena contribute to the temperature dependence of the free energy. In multicomponent systems, an important contribution to the free energy arises from the atomic configuration. The configurational effects have been estimated by density functional theory calculations and the cluster expansion method. Therefore, methodologies for computing the configurational properties, based on DFT calculations and the CE method, are proposed. We have constructed ground state structures and phase diagrams for a pseudobinary MgO-ZnO and MgO-NiO systems. In addition, the average structure at a finite temperature has been estimated by carrying out first-principles molecular dynamics calculations.

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  • Synthesis of high purity hBN crystals and realization for their new functions

    Grant number:23246116  2011.4 - 2014.3

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    TANIGUCHI Takashi, WATANABE Kenji, KAWAMURA Fumio, MIYAKAWA Masashi, OBA Fumiyasu, YAMADA Takatoshi, NAKAYAMA Atsuko

      More details

    Grant amount:\49530000 ( Direct Cost: \38100000 、 Indirect Cost:\11430000 )

    Purposes of this study are synthesis of high purity hBN crystals and realization for their new functions. Band gap of hBN crystal and effect of carbon impurity on intense band edge far-ultraviolet emission of hBN were experimentally clarified. For applications as substrates for graphene, function of hBN graphene layered structure as well as hBN MoS2 structures were investigated on the basis with international collaborations. Fundamental research to understand doping mechanism of large size mismatch system were carried out in the system of Ce doped cBN and AlN.

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  • Quantification of heterointerfaces using accurate first-principles calculations

    Grant number:23686089  2011 - 2012

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Young Scientists (A)

    OBA Fumiyasu

      More details

    Grant amount:\27040000 ( Direct Cost: \20800000 、 Indirect Cost:\6240000 )

    It is important to quantify interfaces at the atomistic and electronic levelfor the design of the structure and functions of heterointerfaces in oxide semiconductors and insulators, and compound semiconductors for photovoltaic applications. In this research project, we have developed a computational procedure based on the combination of first-principles calculations at various levels of accuracy and applied it to the heterointerfaces. Data sets relevant to the interfacial structure and functions were constructed in conjunction with experiments and macroscopic simulationsto derive principles for the control and design of the interfaces. Systems that can show high performances as oxide-semiconductor and photovoltaic-semiconductor interfaces were explored.

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  • Determination of dopant levels and the design of materials functions using first-principles calculations

    Grant number:21760517  2009 - 2010

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

    OBA Fumiyasu

      More details

    Grant amount:\4550000 ( Direct Cost: \3500000 、 Indirect Cost:\1050000 )

    Dopant levels play crucial roles in the control and design of materials functions. In the present study, a computational approach has been developed to quantitatively evaluate the electronic levels of dopants and native defects in semiconductors and insulators. Electrical and optical properties relevant to dopants and native defects have been predicted in various functional oxides and compound semiconductors.

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  • First principles thermodynamics in nonstoichiometric oxides

    Grant number:20246095  2008 - 2010

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    TANAKA Isao, OBA Fumiyasu, SEKO Atsuto

      More details

    Grant amount:\48230000 ( Direct Cost: \37100000 、 Indirect Cost:\11130000 )

    A wide variety of material properties of oxides are strongly dependent on their nonstoichiometric characters. In the present study, first-principles thermodynamics methods have been developed for finding and understanding structure-property relationships of materials. Appling the methods to binary metal oxides and perovskite multicomponent oxides, new ordered phases and new defects originated from their nonstoichiometric properties have been discovered.

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  • Control of deep ultraviolet light emission properties of hexagonal boron nitride crystals

    Grant number:19205026  2007 - 2010

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    TANIGUCHI Takashi, WATANBE Kenji, KOIZUMI Satoshi, KOBAYASHI Kazuaki, OBA Fumiyasu, YAMADA Takatoshi

      More details

    Grant amount:\49790000 ( Direct Cost: \38300000 、 Indirect Cost:\11490000 )

    The purpose of this study is to realize the potential of hexagonal boron nitride(hBN) crystal as a deep ultraviolet light emission materials. High purity single crystals of hBN were obtained under high pressure flux growth process and their optical properties were characterized. Synthesis technique of high purity hBN under atmospheric pressure was also established by using Ni base solvent system. The plot-type of deep ultraviolet emission device combined with hBN crystals and electron emitter were fabricated and its usefulness for sterilization of bacteria was realized.

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  • First-principles thermodynamical calculations and experimental confirmation of the phase diagrams of ceramic systems

    Grant number:18206067  2006 - 2007

    Japan Society for the Promotion of Science  Grants-in-Aid for Scientific Research  Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    TANAKA Isao, MATSUNAGA Katsuyuki, OBA Fumiyasu, NISHITANI Shigeto

      More details

    Grant amount:\49920000 ( Direct Cost: \38400000 、 Indirect Cost:\11520000 )

    Systematic first-principles thermodynamical calculations were performed to predict the phase boundary, phase transition, and compound formation in oxide binary systems. To confirm the theoretical results, experimental characterization was also conducted for a variety of specimens including supersaturated solid solutions. Computational methods for realistic thermodynamical simulations were developed on the basis of the experimentally obtained information.
    A combination of duster expansion technique, Monte Carlo simulations, and first-principles lattice statics and dynamics methods was used for the calculations. Specific heat was obtained from the lattice dynamics calculations, and free energy function was then derived from the integration. Using the duster expansion and Monte Carlo techniques, equilibrium structures and formation energies were predicted for possible phases in binary systems. The theoretical results were confirmed by experiments, such as x-ray diffraction and x-ray spectroscopy for ceramic specimens and the thin films of supersaturated solid solutions made by the pulsed laser deposition. As a result, atomic structures, thermodynamical properties, phase boundaries, phase transition behavior and compound formation were revealed for a variety of oxide binary systems. The examples include the theoretical prediction of the formation of new series of homologous phases in the Sn-O system and the determination of the local atomic structures in the ZnO-MgO, ZnO-Al_2O_3, Ga_2O_3-MnGa_2O_4 pseudo-binary systems.

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  • イオニクス材料における反応素過程の量子力学シミュレーションと材料設計

    Grant number:17041007  2005 - 2006

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特定領域研究

    大場 史康, 桑原 彰秀, 宇田 哲也, 桑原 彰秀, 大場 史康

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    Grant amount:\7100000 ( Direct Cost: \7100000 )

    固体酸化物燃料電池におけるフロトン伝導性電解質一電極界面における欠陥化学反応と電子状態に関する知見を得るため,BaZrO3(001)-Pt(001)界面を取りあげて第一原理計算による検討を行った.具体的には,様々な終端面を有する整合界面モデルについて第一原理PAW法による原子・電子構造の最適化計算を行い,界面のエネルギーと原子・電子構造及び化学結合状態の解析を行った.さらに,これらの界面に酸素空孔及び格子間プロトンを導入し,その形成エネルギーを粒内モデルと比較して評価した.その結果,界面がBaO終端の場合はPtがBa及び0上に位置する構造が安定であり,ZrO2終端の場合はPtが0上のみに位置する構造が安定であることがわかった.また,これらの中で最低の界面エネルギーを示したBaO終端界面について,電子レベルでの詳細な解析を行った結果,界面ではその直上においてPt-0結合に由来した局在電子状態が形成されることがわかった.この界面における酸素空孔及び格子間プロトンは粒内に比べてかなり低い形成エネルギーを持ち,強い偏析傾向を示すことが判明した.一方,プロトンを導入するために添加されるYドーパントについては,粒内に対して大きなエネルギー差は見られなかった.これは,界面における特有なPt-0結合に由来して酸素の状態が大きく変化し,その酸素の空孔やそれに結合した格子間プロトンが直接的な影響を受けたためと解釈できる.この結果は,界面直上では粒内と異なった欠陥化学反応が進行することを意味しており,ナノ・サブナノスケールでの界面制御の重要性を示している.

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  • 層間ドーピングによる六方晶窒化ホウ素の光電子機能設計

    Grant number:17760527  2005 - 2006

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)

    大場 史康

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    Grant amount:\3400000 ( Direct Cost: \3400000 )

    六方晶窒化ホウ素(h-BN)の半導体化に最適なドーパントの理論予測を目的として,第一原理計算により様々な不純物のイオン化エネルギー及び形成エネルギーと電子構造を立方晶窒化ホウ素(c-BN)と比較しながら系統的に評価した.具体的には,h-BN及びc-BNスーパーセル中に様々なドーパント元素を導入し,第一原理PAW法による原子・電子構造の最適化計算を行った.得られたスーパーセルの全エネルギーを用いて不純物のイオン化エネルギーと形成エネルギーを求め,これらの値をもとにp型,n型化に適したドーパント種を考察した.本年度はとくにh-BNの層間へのドーパントの挿入に着目し,サイズミスフィットの大きな不純物も含めて系統的な計算を行った.その際,Li等のアルカリ金属元素の添加やそれに伴う欠陥形成を定量的に評価するため,基本的な窒化物及び酸化物を対象として高精度な計算技法を確立した.これをh-BNに適用した結果,n型ドーピングに関しては様々なアルカリ金属元素により低い形成エネルギーと浅いドナー準位が両立されることがわかった.また,p型ドーピングの場合は,h-BN特有の電子構造の考察からハロゲンの添加により同様な効果が期待されたため,系統的な計算を行った.その結果,フッ素の添加によりとくに浅いアクセプタ準位が形成されることが判明した.これらは,層間へのドーピングによるh-BNの半導体化の可能性を示す結果である.

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