WO2011036952A1 - Electronic state calculation system and program - Google Patents
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- G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
Definitions
- first-principles methods that predict the structure and properties of materials at the atomic level have attracted attention, and many material simulation systems based on first-principles methods have been developed.
- the structure and properties of a material are determined by the quantum states of the nuclei and electrons that make up the material.
- the first principle method is a method for predicting the structure and properties of a material by approximately calculating the quantum state of electrons constituting the material. Material simulation based on the first-principles method is effective in designing materials without trial and error by experiment.
- the first principle method includes a wave function method for obtaining a wave function of the entire electrons constituting the material and a density functional (DFT) method for calculating the electron density.
- DFT density functional
- the Kohn-Sham method is usually used for calculating the electron density.
- the Kohn-Sham method assumes that the electron density created by N Coulomb interacting electrons constituting the material is given by the electron density created by N independent quasielectrons (Kohn-Sham electrons). This is a method for obtaining the Kohn-Sham electron orbital that gives the electron density that minimizes.
- the explanation about the DFT method is described in Chapter 4 and Chapter 5 of Non-Patent Document 2.
- the Kohn-Sham electron orbit is determined by the electron density, and the electron density is determined by the Kohn-Sham orbit, it is necessary to repeatedly calculate the electron density and the Kohn-Sham orbit.
- the Kohn-Sham orbit is an independent quasi-electron orbit, self-consistent calculation of the orbit is not required as in the HF method. For this reason, the DFT method is easier to calculate than the HF method. Further, in the case of the DFT method, it is possible to take into account an electron correlation that is ignored in the HF method.
- the DFT method has a problem of self-interaction of Kohn-Sham electrons (Self-interactionSof Kohn-Sham ⁇ ⁇ electrons) that is not found in the wave function method including the HF method.
- An electron self-interaction is a non-physical interaction in which an electron interacts with itself.
- the DFT method tends to underestimate the solid band gap. For example, when calculated by the DFT method of local density approximation of silicon crystal, a value of 0.6 eV is given to 1.12 eV actually measured. In the case of a germanium crystal, the DFT calculation gives a value of 0.01 eV with respect to the actually measured 0.74 eV. Since band gaps determine the electrical and optical properties of solids, the DFT method often cannot correctly predict these properties. This problem is serious because the band gap is an important physical quantity that governs the physical properties of the material.
- the DFT method often cannot correctly describe chemical reactions.
- the orbits of electrons located outside the molecule need to be calculated with high accuracy, whereas the Kohn-Sham electron orbitals tend to spread outside the actual orbitals due to self-interaction. This is because the state of electrons outside the molecule involved in the reaction cannot be described correctly.
- the self-interaction in the DFT method is due to the fact that the exchange / correlation potential describing the quantum mechanical interaction of Kohn-Sham electrons is approximate.
- the hybrid DFT method is a method for reducing the self-interaction by partially describing the exchange potential component for the Kohn-Sham electron from the HF exchange potential not including the self-interaction.
- the hybrid DFT method there is a B3LYP method widely used in the field of quantum chemistry.
- the hybrid DFT is described in Chapter 6 of Non-Patent Document 2.
- the DFT + U method is a method of describing a d orbit or f orbit localized on an atom by an approximate HF method. HF calculation is performed using the interaction parameter U eff between electrons. By describing d electrons and f electrons by the HF method, the self-interaction of these localized electrons can be removed.
- the DFT + U method is mainly used in the field of solid state physics to calculate strongly correlated materials. The theory of the DFT + U method is described in Non-Patent Document 3. Hereinafter, calculation processing based on the DFT + U method is referred to as DFT + U calculation.
- the U eff value of the DFT + U method is generally determined so as to reproduce the measured band gap, but can also be obtained by calculation.
- a method for obtaining the U eff value by calculation is described in Non-Patent Document 4.
- the method of Non-Patent Document 4 is a method called a restricted DFT method.
- DFT calculation is performed by changing the number of localized electrons, and a U eff value is calculated as a secondary differential coefficient related to the number of electrons of energy. In this case, the U eff value can be determined without using experimental values.
- the DFT + U method is superior to the hybrid DFT method in that the calculation is possible without depending on the experimental value.
- Non-Patent Document 4 has a problem that it is not suitable for the pseudopotential method that is currently widely used.
- the U eff value of an orbital localized on an atom is obtained using an all-electron state calculation method called the LMTO method.
- the LMTO method a material is divided into a spherical atomic region and an outer region of the atom, the electron's orbit in the atomic region is represented by an atomic orbit, and the electron's orbit in the outer region of the atom is represented by a plane wave.
- Is a method of calculating The LMTO method has a clear atomic orbit, and is suitable for the restricted DFT method in which the number of electrons in the local atomic orbital is changed.
- the pseudopotential method since the electron orbit is expanded using a plane wave, the concept of the atomic orbit is not clear. For this reason, it is difficult to calculate the U eff value by the limited DFT method in the pseudopotential method, and in the DFT + U calculation by the pseudo potential method, an empirical U eff value is often used for the local atomic orbitals. As a result, there is a problem that the calculation is arbitrary.
- the pseudopotential method can be calculated in consideration of only the valence electrons of the atoms constituting the material. In other words, the pseudo-potential method has the feature that the potential of valence electrons can be calculated in a first-principle manner, and can perform highly accurate calculation in a shorter time than the LMTO method. For this reason, the pseudopotential method is used in many material design calculations.
- the present inventor newly provides a method of applying the pseudopotential method to the calculation of the interaction parameter U eff value for the localized electron orbit, and the U eff value calculated using the method.
- the effective potential of an electron system having a localized electron orbit can be calculated with high accuracy without actually measuring the energy gap.
- the flowchart explaining the calculation procedure of interaction parameter Ueff value The figure which shows the example of a display of input data GUI.
- the Hartley Fock method here means an approximate Hartley Fock method that considers only the interaction between d electrons and f electrons belonging to the same atom.
- the DFT + U electronic state calculation system also includes a graphical user interface (GUI) used for inputting data necessary for calculation and displaying the calculation result, an arithmetic unit for executing the calculation, and data and calculation results necessary for the calculation. It is assumed that a storage device that stores data is included.
- GUI graphical user interface
- the DFT + U electronic state calculation system here expresses the effect of the inner core electrons of the atoms constituting the material (solid) on the valence electrons as a pseudo-potential, and expresses the wave function of the valence electrons as a plane wave. It is assumed that it has a function of calculating an electronic state of a material (solid) by expanding into a linear combination. That is, the DFT + U electronic state calculation system (program) ignores the inner core electrons of atoms and handles only valence electrons.
- the electronic state calculation system also provides information on the crystal structure of a solid (lattice constant, space group, atomic species and position) required for the calculation and information on atoms having localized d electrons or f electrons. It is preferable that a computer has a function of inputting through a mouse, keyboard, or other input device, and a function of displaying a solid electronic band structure and / or band gap on the operation screen after completion of the calculation.
- the electronic state calculation system by performing DFT + U calculated stepwise changing the interaction parameter u eff value of the localized electrons near zero, the U eff value for localized electrons, the DFT + U calculations It is preferable to calculate the second derivative of the DFT component of the electron energy defined as the difference between the total electron energy component obtained and the Hartley Fock electron energy component represented by the number of localized electrons.
- u eff is an interaction parameter between localized electrons as a variable.
- the u eff value for the localized electrons is preferably changed stepwise by 0.1 eV in a range of ⁇ 0.5 eV to 0.5 eV, 0 eV to 0.5 eV, or ⁇ 0.5 eV to 0 eV.
- E DFT (n) An (n ⁇ 1 )
- electronic state calculation system (program), the second derivative about the localized electrons the number of DFT components E DFT may be calculated as the difference of the localized electron number n of the electron energy of the DFT components E DFT.
- the interaction parameter U eff for the localized electron orbit is calculated in the first principle for the pseudopotential method, and the calculated interaction parameter is calculated.
- the electronic state of a solid having a localized electron orbit can be calculated in a first principle.
- the electronic state in the transition metal oxide or rare earth oxide can be calculated more accurately than in the conventional method.
- the DFT + U electronic state calculation program described above expresses the effect of the core electrons of atoms constituting the solid on the valence electrons as a pseudo potential for the valence electrons, and expands the orbit of the valence electrons into a linear combination of plane waves. It is a program of electronic states based on the pseudopotential method for calculating electronic states.
- the pseudo-potential method can calculate the electronic state of a material with high accuracy at a relatively low calculation cost.
- the calculation of electronic states by the pseudopotential method requires atomic pseudopotential data. Since the pseudopotential data of an atom differs for each atomic species, the system (program) proposed in this specification automatically uses the potential data necessary for the calculation as input data for the electronic state calculation program from the pseudopotential data library. Equipped with the function to set to.
- E is the total electron energy of the material calculated by the restricted DFT method
- const is a constant
- ⁇ 0 is the energy of localized electrons calculated by the DFT method
- n is the number of localized electrons
- O (n 3 ) Is a third-order negligible term for n.
- Non-Patent Document 4 a limited DFT calculation is performed using the LMTO method, and a U eff value is obtained using Equation 1.
- the LMTO method since the electron orbit of an atom is represented by a localized atomic orbital, it is easy to calculate an electronic state in which n is changed.
- the limited DFT calculation is performed so that the localized electron orbit in the atomic region does not hybridize with other delocalized orbits.
- u eff is a U eff value as a variable
- n ′ is n as a variable.
- the DFT + U calculation coincides with the DFT calculation
- E DFT (n 0 ) E (n 0 ).
- n 0 is the number of localized electrons obtained by DFT calculation
- E is the energy obtained by DFT calculation.
- u eff ⁇ generally E DFT + U (n ′) ⁇ E (n ′), but when u eff is close to 0, approximate by E (n ′) ⁇ E DFT (n ′) it can.
- the U eff value is obtained according to Equation 4 from n ′ and E DFT (n ′) obtained by performing DFT + U calculation by slightly changing u eff near 0. I did it.
- n ′ is the number of electrons in a localized orbit obtained by DFT + U calculation using a small u eff value
- E DFT (n ′) is a DFT component of electron energy obtained by calculation
- U eff is localized.
- the U eff value is calculated as a second derivative with respect to n ′ of E DFT (n ′).
- the u eff value and U eff are different.
- the system (program) proposed in this specification performs the DFT + U calculation by changing the u eff value discontinuously near 0. For this reason, the number of changes in the u eff value can be reduced, and the amount of DFT + U calculation can be reduced. That is, the required calculation amount can be reduced.
- the u eff value is changed in steps of 0.1 eV from ⁇ 0.5 eV to 0.5 eV by DFT + U. Calculation was performed to obtain the U eff 'value for the localized orbitals. Also, so as to obtain a U eff 'values for localized trajectory by changing the u eff value from 0eV or 0.0eV from -0.5eV to 0.5 eV. In this way, by using the u eff value near 0 (zero), it is possible to reduce the calculation error while suppressing the calculation amount small.
- Equation 5 the least-square fitting function shown in Equation 5 is analytically calculated to obtain the U eff value, but Equation 5 is calculated by the difference method using the data in Table 1 to obtain the U eff value. It is also possible.
- the differential method of Equation 6 is evaluated by Equation 7 using n ′ and E DFT (n ′). About 10.67 eV is obtained as the U eff 'value of the 3d orbit of Ti. This value is approximately equal to the value 10.67 eV obtained by analytically calculating Equation 5 using the least square fitting function of Equation 5.
- FIG. 3 shows the band structure when the existing LDA pseudopotential method is used to calculate the band gap Eg.
- the hand gap Eg is 1.66 eV, which is about half that of the actually measured gap.
- the electronic state calculation system proposed herein (program)
- the electronic state calculation system (program) proposed in this specification is based on the DFT method that underestimates the band gap Eg of the material, the DFT + U method that uses empirically required U eff, and other conventional techniques. It turns out that it is excellent as a state calculation method.
- the method of calculating the U eff value of the 3d orbital of Ti has been described using rutile TiO 2 as an example.
- the U eff value for the 4f orbit of rare earth elements can be calculated using the proposed electronic state calculation system (program). For example, when the U eff value for 4f electrons of La in hexagonal La 2 O 3 is similarly calculated, 9.3 eV is obtained.
- the band gap Eg of 6 HoAkiragata La 2 O 3 by using the U eff value calculated by DFT + U method a value of 4.4eV is obtained. This value is very close to the actually measured value of 4.3 eV.
- the electronic states of various transition metal oxides and lanthanum oxides (La 2 O 3 ), which are rare earth oxides, are calculated by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification and obtained by calculation.
- the result of having compared the band gap Eg with the measured value is shown.
- ⁇ squares shown in solid
- the correspondence between the calculation result obtained by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification and the actually measured value is indicated by ⁇ (squares shown in solid) in FIG.
- LDA was used for the DFT exchange correlation potential
- GGA was used for the potential.
- the calculation of the localized electron of the transition metal oxide was performed for the d orbital, and the calculation of the localized electron of the lanthanum oxide was performed for the f orbital.
- FIG. 4 also shows the calculation result of the band gap Eg by the DFT method which is the prior art.
- the correspondence between the calculation result obtained by the conventional method and the actual measurement value is indicated by ⁇ (white circle).
- ⁇ white circle
- the electronic state calculation system (program) proposed in the present specification can calculate the electronic states of transition metal oxides and rare earth oxides more accurately than in the prior art.
- the electronic state calculation system (program) proposed in this specification is more accurate in comparing the electronic states of high-k gate insulating films, oxide-based thermoelectric conversion materials, and metal oxide catalysts for Si transistors compared to the prior art. Can be calculated and applied to the design of these materials.
- La 2 O 3 is a high-k material by DFT method is prior art, monoclinic HfO 2, when calculating the band gap Eg of the cubic HfO 2, calculated values are actually measured values In addition, the magnitude relationship of the measured gap between materials is not accurately reproduced.
- the electronic state calculation system (program) proposed in this specification the magnitude relationship of the measured gap between materials can be accurately reproduced. Therefore, it is effective in predicting the band gap Eg, which is a measure of the insulating property of the high-k material.
- the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material also depends sensitively on the band gap Eg. For this reason, the electronic state calculation system (program) proposed in this specification is effective even when used for the design of thermoelectric conversion materials.
- the Seebeck coefficient can be calculated from the electron velocity as shown in Non-Patent Document 6.
- the electronic state of the material can be calculated by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, and the Seebeck coefficient of the material can be obtained based on the calculated electronic state.
- FIG. 5 is a system configuration of the electronic state calculation system according to the embodiment.
- the electronic state calculation system according to the embodiment is executed on a computer including an arithmetic device that executes calculation, a storage device that stores data and calculation results necessary for calculation, and a user interface and other input devices. Realized by a program.
- FIG. 5 functionally represents the system configuration of the electronic state calculation system.
- the main system 1 corresponds to the main program of the electronic state calculation system according to the embodiment.
- the main system 1 manages the entire electronic state calculation process.
- the GUI 2 is a program that supports creation of the input file 5 required by the DFT + U electronic state calculation program 7.
- the GUI 2 includes structural data (lattice constant, space group, atomic coordinates, and atomic species) required by the DFT + U electronic state calculation program 7, input data related to DFT + U electronic state calculation (type of exchange correlation potential,
- An input file 5 is generated based on data input or set through the operation screen.
- the material database 3 is a database in which a crystal structure of a known material is stored in a storage device.
- the crystal structure data stored in the material database 3 is extracted through the operation of the GUI 2 by the user, and is written in the input file 5 as an input value of the material structure to be calculated.
- the pseudo-potential (PP) database 4 is a database that stores the pseudo-potentials of atoms required by the DFT + U electronic state calculation program 7 when calculating electronic states.
- the above-described GUI 2 has a function of automatically selecting pseudo-potential data of atoms included in the material input by the user from the pseudo-potential (PP) database 4.
- the user can also select individually, but it is desirable to mount an automatic selection function from the viewpoint of operability.
- the file name of the selected pseudopotential data is written in the input file 5.
- the function of the GUI 2 can be configured using a known technique.
- Non-Patent Document 7 is a known technique for realizing a function related to GUI2.
- the U eff calculation subsystem 6 is realized as a program that automatically calculates the U eff value necessary for the DFT + U calculation or the LDA + U calculation using the above-described method.
- This U eff calculation subsystem 6 corresponds to the second arithmetic unit in the claims.
- U eff computing subsystem 6 writes the u eff values necessary for the calculation of U eff values in the input file 5.
- the u eff calculation subsystem 6 is given u eff values for localized electrons in the range of ⁇ 0.5 eV to 0.5 eV, or in the range of 0 eV to 0.5 eV, or in the range of ⁇ 0.5 eV to 0 eV.
- ⁇ 0.5 eV to 0.5 eV is set as the default value of the setting range.
- the U eff calculation subsystem 6 sequentially executes a DFT + U calculation or an LDA + U calculation in which the u eff value for the local orbit is set, and the DFT component (pseudopotential component) and localization of the electron energy at each u eff value. Based on the relationship between the number of electrons in the orbit, that is, based on Equation 6 or Equation 7, the U eff value for the localized electrons is calculated. After calculating the U eff value, the U eff calculation subsystem 6 writes the U eff value for the determined localized electron in the input file 5. Further, the U eff calculation subsystem 6 monitors the input file 5 and activates the DFT + U electronic state calculation program 7 when it is confirmed that all data required by the DFT + U electronic state calculation program 7 is described.
- the DFT + U electronic state calculation program 7 is an electronic state calculation program based on a pseudopotential method having a DFT + U calculation function.
- the DFT + U electronic state calculation program 7 corresponds to the first arithmetic unit in the claims.
- the DFT + U electronic state calculation program 7 reads the structural data related to the material structure, the input data related to the electronic state, the u eff value as a variable, and the pseudo potential data file name from the input file 5, and then refers to the pseudo potential data file name.
- the corresponding pseudopotential data is read from the pseudopotential (PP) database 4. Thereafter, the DFT + U electronic state calculation program 7 calculates the DFT + U electronic state based on these data.
- a known technique can be used.
- the program of Non-Patent Document 78 can be used.
- FIG. 6 shows an outline of a processing procedure until the U eff value of the localized electron is calculated by the U eff calculation subsystem 6.
- the structure of the material whose electronic state is to be obtained is input through GUI 2 (step S1).
- localized electrons are designated through GUI 2 (step S2).
- transition metal oxides and rare earth oxides are targeted. Accordingly, the transition electron d-electron and the rare-earth element f-electron orbit are designated through the GUI 2 as localized electron orbitals (step S3).
- a range of u eff values used for calculation of the U eff value for the local orbit is input (step S4).
- the recommended range is -0.5 eV to 0.5 eV, or 0 eV to 0.5 eV, or -0.5 eV to 0 eV.
- the default range is -0.5eV to 0.5eV.
- the U eff calculation subsystem 6 When these values are input to the input file 5 through the GUI 2, the U eff calculation subsystem 6 performs a DFT + U calculation using the u eff values in the specified range, and performs a DFT component E DFT (n ') Is least squares fitted with a quadratic function of n (step S5).
- FIG. 6 shows a flowchart for obtaining the U eff value as the second derivative of the fitting function.
- U eff is calculated using the difference method (Equation 7) without fitting. May be.
- FIG. 7 shows an example of an input screen of GUI2.
- the input screen shown in FIG. 7 includes input GUI windows 9, 10, and 11.
- the input GUI window 9 is a window for inputting and displaying a material structure.
- the material structure is displayed three-dimensionally.
- the structure of rutile TiO 2 is displayed.
- the input GUI window 10 is a window for inputting material structure data.
- a lattice constant Lattice constant (Lattice), a space group (Space Group), and an atom position parameter (Positional Parameter) can be input.
- material structure data is input with a keyboard.
- FIG. 7 is an input example of the structure data of rutile TiO 2 . Incidentally, in the case of FIG. 7, the positional parameters of titanium (Ti) and oxygen (O) are directly input by the keyboard.
- selectable options for the U eff value include direct input by the user (Input) and calculation by the U eff calculation subsystem 6 (Calc.).
- FIG. 7 shows a state in which the calculation option is selected from the two.
- the calculation method can be selected from the method using the least square method (Least-Square) and the difference method (numerical).
- the method using the least square method is selected.
- the range of the u eff value is ⁇ 0.5 eV to 0.5 eV
- the step width of the u eff value is set to 0.1 eV.
- FIG. 8 is an example of a GUI output screen after the calculation is completed.
- the output screen shown in FIG. 8 includes output GUI windows 12 and 13.
- the output GUI window 12 is a band structure display window.
- the output GUI window 13 is a state density display window.
- the calculation result (10.67 eV) of the U eff value for the 3d orbit of Ti constituting rutile TiO 2 and the DFT + U band structure using the value are shown.
- the DFT + U band structure is shown with the position and value of the band gap Eg.
- the band gap Eg is a direct transition type at point A, and the gap value is 2.98 eV.
- the output GUI window 13 shows the total state density (total), the local state density (Ti) of the titanium (Ti) site, and the local state density (O) of the oxygen (O) site.
- FIG. 9 shows a hardware configuration example of the electronic state calculation system according to the embodiment.
- the electronic state calculation system (program) according to the embodiment can be realized as the computer 17 having the arithmetic device and the storage device and its peripheral devices (computer display 14, keyboard 15, mouse 16).
- a computer program for realizing the system shown in FIG. 5 is stored in a hard disk (storage device) in the computer 17. Further, calculation processing and file input / output processing necessary for realizing the system shown in FIG. 5 are performed by a memory (storage device) and an arithmetic unit constituting the computer 17.
- the GUI window as shown in FIGS. 7 and 8 is displayed on the screen of the computer display 14.
- a keyboard 15 and a mouse 16 are used for data input operations (including not only alphanumeric input but also selection input) on the GUI screen shown in FIG. .
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Abstract
Description
本発明は、材料の構造及び性質を数値計算により求めるシミュレーション技術に関する。例えば本発明は、電子状態計算システム及びプログラムに関する。 The present invention relates to a simulation technique for obtaining the structure and properties of a material by numerical calculation. For example, the present invention relates to an electronic state calculation system and a program.
近年、材料の構造や性質を原子レベルで予測する第一原理法が注目されており、第一原理法に基づく材料シミュレーションシステムが数多く開発されている。材料の構造と性質は、材料を構成する原子核と電子の量子状態により決まる。第一原理法は、材料を構成する電子の量子状態を近似的に計算して、材料の構造と性質を予測する方法である。第一原理法に基づく材料シミュレーションは、実験による試行錯誤によらずに、材料を設計する上で有効である。 In recent years, first-principles methods that predict the structure and properties of materials at the atomic level have attracted attention, and many material simulation systems based on first-principles methods have been developed. The structure and properties of a material are determined by the quantum states of the nuclei and electrons that make up the material. The first principle method is a method for predicting the structure and properties of a material by approximately calculating the quantum state of electrons constituting the material. Material simulation based on the first-principles method is effective in designing materials without trial and error by experiment.
第一原理法には、材料を構成する電子全体の波動関数を求める波動関数法と、電子の密度を計算する密度汎関数(DFT:Density Functional Theory)法がある。 The first principle method includes a wave function method for obtaining a wave function of the entire electrons constituting the material and a density functional (DFT) method for calculating the electron density.
波動関数法は、材料を構成する電子の量子状態を記述する変数として電子の波動関数を考えることにより、材料を構成する電子全体の波動関数を近似的に求める方法である。波動関数法にはいろいろな種類があるが、最も基本的なものにハートリーフォック(HF)法がある。HF法は、材料を構成するそれぞれの電子に対して一電子軌道を導入し、波動関数を一電子軌道の反対称化積(スレーター行列式)で表し、スレーター行列式のエネルギー期待値が最小となるように一電子軌道を求めて電子状態を計算する方法である。各電子は他の電子と相互作用するので、各電子に対する一電子軌道の計算には、自己無撞着計算が必要である。HF法をはじめとする波動関数法の詳細は、非特許文献1に記載されている。
The wave function method is a method for approximately obtaining the wave function of the entire electrons constituting the material by considering the electron wave function as a variable describing the quantum state of the electrons constituting the material. There are various types of wave function methods, but the most basic one is the Hartley Fock (HF) method. In the HF method, one electron orbit is introduced for each electron constituting the material, and the wave function is represented by an anti-symmetrization product (Slater determinant) of the one electron orbit, and the expected energy value of the Slater determinant is minimum. In this way, one electron orbit is obtained to calculate the electronic state. Since each electron interacts with other electrons, the calculation of one electron orbit for each electron requires self-consistent calculation. The details of the wave function method including the HF method are described in
一方、DFT法は、材料電子の量子状態を記述する変数として電子密度を考え、電子エネルギーを最小にする電子密度を見出す方法である。波動関数法とDFT法が同等であることは、Hohenberg-Kohnの定理により保証されている。 On the other hand, the DFT method is a method of finding the electron density that minimizes the electron energy by considering the electron density as a variable describing the quantum state of the material electrons. It is guaranteed by the Hohenberg-Kohn theorem that the wave function method and the DFT method are equivalent.
電子密度の計算には、通常、Kohn-Sham法が用いられる。Kohn-Sham法は、材料を構成するクーロン相互作用するN個の電子が作る電子密度が、N個の独立な準電子(Kohn-Sham電子)が作る電子密度で与えられると仮定し、電子エネルギーを最小にする電子密度を与えるKohn-Sham電子軌道を求める方法である。DFT法に関する説明は非特許文献2の第4章及び第5章に記載されている。
The Kohn-Sham method is usually used for calculating the electron density. The Kohn-Sham method assumes that the electron density created by N Coulomb interacting electrons constituting the material is given by the electron density created by N independent quasielectrons (Kohn-Sham electrons). This is a method for obtaining the Kohn-Sham electron orbital that gives the electron density that minimizes. The explanation about the DFT method is described in
Kohn-Sham電子軌道は電子密度により決まり、電子密度はKohn-Sham軌道により決まるので、電子密度及びKohn-Sham軌道の計算には繰り返し計算が必要である。しかし、Kohn-Sham軌道は独立な準電子の軌道であるため、HF法の場合のように軌道の自己無撞着計算は必要でない。このため、DFT法はHF法と比較して計算が容易である。また、DFT法の場合には、HF法では無視される電子相関を考慮することが可能である。 Since the Kohn-Sham electron orbit is determined by the electron density, and the electron density is determined by the Kohn-Sham orbit, it is necessary to repeatedly calculate the electron density and the Kohn-Sham orbit. However, since the Kohn-Sham orbit is an independent quasi-electron orbit, self-consistent calculation of the orbit is not required as in the HF method. For this reason, the DFT method is easier to calculate than the HF method. Further, in the case of the DFT method, it is possible to take into account an electron correlation that is ignored in the HF method.
このように、DFT法は波動関数法と比較して計算が容易であり、かつ電子相関の効果を考慮して材料の電子状態を計算することができる。このため、現在では多くの材料シミュレーションシステムにDFT法が採用されている。 Thus, the DFT method is easier to calculate than the wave function method, and the electronic state of the material can be calculated in consideration of the effect of electron correlation. For this reason, the DFT method is currently employed in many material simulation systems.
しかしながら、DFT法にはHF法をはじめとする波動関数法には見られないKohn-Sham電子の自己相互作用(Self-interaction of Kohn-Sham electrons)の問題が存在する。電子の自己相互作用とは、電子が自分自身とクーロン相互作用する非物理的な相互作用である。 However, the DFT method has a problem of self-interaction of Kohn-Sham electrons (Self-interactionSof Kohn-Sham ら れ electrons) that is not found in the wave function method including the HF method. An electron self-interaction is a non-physical interaction in which an electron interacts with itself.
自己相互作用のため、DFT法は固体のバンドギャップを過小評価する傾向がある。例えばシリコン結晶の局所密度近似のDFT法で計算すると、実測の1.12eVに対して0.6eVという値を与える。また、ゲルマニウム結晶の場合は、実測0.74eVに対して、DFT計算は0.01eVという値を与える。バンドギャップは、固体の電気的及び光学的な性質を決定するため、DFT法は、これらの性質を正しく予測できないことが多い。バンドギャップは、材料の物性を支配する重要な物理量なので、この問題は深刻である。 Due to self-interaction, the DFT method tends to underestimate the solid band gap. For example, when calculated by the DFT method of local density approximation of silicon crystal, a value of 0.6 eV is given to 1.12 eV actually measured. In the case of a germanium crystal, the DFT calculation gives a value of 0.01 eV with respect to the actually measured 0.74 eV. Since band gaps determine the electrical and optical properties of solids, the DFT method often cannot correctly predict these properties. This problem is serious because the band gap is an important physical quantity that governs the physical properties of the material.
また、自己相互作用のため、DFT法は化学反応を正しく記述できないことが多い。化学反応の解析では、分子の外側に位置する電子の軌道を高精度に計算する必要があるのに対し、Kohn-Sham電子軌道は自己相互作用のために実際の軌道より外側に広がる傾向があり、反応に関与する分子の外側の電子の状態を正しく記述できないからである。 Also, due to self-interaction, the DFT method often cannot correctly describe chemical reactions. In the analysis of chemical reactions, the orbits of electrons located outside the molecule need to be calculated with high accuracy, whereas the Kohn-Sham electron orbitals tend to spread outside the actual orbitals due to self-interaction. This is because the state of electrons outside the molecule involved in the reaction cannot be described correctly.
そこで近年、DFT法におけるKohn-Sham電子の自己相互作用を補正して、DFT法のもつこのような問題点を改善しようとする研究がなされている。DFT法における自己相互作用を低減する方法にはいろいろなものがあるが、現在最も広く用いられているのが、DFT法とHF法を組み合わせるハイブリッドDFT法及びDFT+U法である。 Therefore, in recent years, studies have been made to correct such problems of the DFT method by correcting the self-interaction of Kohn-Sham electrons in the DFT method. There are various methods for reducing the self-interaction in the DFT method. Currently, the hybrid DFT method and the DFT + U method combining the DFT method and the HF method are most widely used.
DFT法における自己相互作用は、Kohn-Sham電子の量子力学的な相互作用を記述する交換・相関ポテンシャルが近似的なものであることに起因する。 The self-interaction in the DFT method is due to the fact that the exchange / correlation potential describing the quantum mechanical interaction of Kohn-Sham electrons is approximate.
ハイブリッドDFT法は、Kohn-Sham電子に対する交換ポテンシャル成分を、自己相互作用を含まないHF交換ポテンシャルより部分的に記述することにより、自己相互作用を低減する方法である。ハイブリッドDFT法の例として、量子化学の分野で広く用いられているB3LYP法がある。ハイブリッドDFTについては、非特許文献2の第6章に記載されている。
The hybrid DFT method is a method for reducing the self-interaction by partially describing the exchange potential component for the Kohn-Sham electron from the HF exchange potential not including the self-interaction. As an example of the hybrid DFT method, there is a B3LYP method widely used in the field of quantum chemistry. The hybrid DFT is described in
ハイブリッドDFT法では、Kohn-Sham電子に対するDFT交換ポテンシャル成分を部分的にHF交換ポテンシャルで置き換えるが、置き換えの割合は実験データに基づいて決定する必要がある。B3LYP法では、分子の生成熱データベースであるG2データベースの値を再現するように、その割合を決めている。 In the hybrid DFT method, the DFT exchange potential component for Kohn-Sham electrons is partially replaced with the HF exchange potential, but the replacement ratio must be determined based on experimental data. In the B3LYP method, the ratio is determined so as to reproduce the value of the G2 database, which is the molecular heat generation database.
一方、DFT+U法は原子上に局在化したd軌道又はf軌道を近似的なHF法により記述する方法である。HF計算は、電子間の相互作用パラメータUeffを用いて行う。d電子及びf電子をHF法で記述することにより、これらの局在電子の自己相互作用をとりのぞくことができる。DFT+U法は、主として固体物理の分野で、強相関材料の計算に用いられている。DFT+U法の理論は、非特許文献3に記載されている。以下では、DFT+U法に基づく計算処理を、DFT+U計算という。
On the other hand, the DFT + U method is a method of describing a d orbit or f orbit localized on an atom by an approximate HF method. HF calculation is performed using the interaction parameter U eff between electrons. By describing d electrons and f electrons by the HF method, the self-interaction of these localized electrons can be removed. The DFT + U method is mainly used in the field of solid state physics to calculate strongly correlated materials. The theory of the DFT + U method is described in
DFT+U法のUeff値は、一般に測定されたバンドギャップを再現するように決定されるが、計算により求めることもできる。計算によりUeff値を求める方法は、非特許文献4に記載されている。非特許文献4の方法は、制限DFT法と呼ばれる方法である。制限DFT法では、後述するように、局在電子数を変化させてDFT計算を行い、エネルギーの電子数に関する2次微分係数としてUeff値を計算する。この場合、実験値を用いることなくUeff値を決定することができる。
The U eff value of the DFT + U method is generally determined so as to reproduce the measured band gap, but can also be obtained by calculation. A method for obtaining the U eff value by calculation is described in
実験値に依存せずに計算が可能であるという点において、DFT+U法は、ハイブリッドDFT法と比較して優れている。 The DFT + U method is superior to the hybrid DFT method in that the calculation is possible without depending on the experimental value.
しかし、非特許文献4の方法は現在広く用いられている擬ポテンシャル法には適さないという問題がある。同文献では、LMTO法と呼ばれる全電子状態計算法を用いて原子上に局在する軌道のUeff値を求めている。LMTO法では、材料を球状の原子領域と原子の外側の領域に分割し、原子領域における電子の軌道を原子軌道で表し、原子の外側の領域における電子の軌道を平面波で表して材料の電子状態を計算する方法である。LMTO法では原子の軌道が明確であり、局在原子軌道の電子数を変化させて計算を行う制限DFT法に適している。
However, the method of
一方、擬ポテンシャル法では、平面波を用いて電子軌道を展開するため、原子軌道の概念が明確でない。このため、擬ポテンシャル法では制限DFT法によるUeff値の計算が困難であり、擬ポテンシャル法によるDFT+U計算では、局在原子軌道に対して経験的なUeff値を用いることが多かった。その結果、計算に任意性が入るという問題点を生じていた。しかし、擬ポテンシャル法は、材料を構成する原子の価電子のみを考慮して計算を行うことができる。すなわち、擬ポテンシャル法は、価電子のポテンシャルを第一原理的に計算できる特徴があり、LMTO法と比較してより短い時間で精度の高い計算を行うことが可能である。このため、多くの材料設計計算において、擬ポテンシャル法が用いられている。 On the other hand, in the pseudopotential method, since the electron orbit is expanded using a plane wave, the concept of the atomic orbit is not clear. For this reason, it is difficult to calculate the U eff value by the limited DFT method in the pseudopotential method, and in the DFT + U calculation by the pseudo potential method, an empirical U eff value is often used for the local atomic orbitals. As a result, there is a problem that the calculation is arbitrary. However, the pseudopotential method can be calculated in consideration of only the valence electrons of the atoms constituting the material. In other words, the pseudo-potential method has the feature that the potential of valence electrons can be calculated in a first-principle manner, and can perform highly accurate calculation in a shorter time than the LMTO method. For this reason, the pseudopotential method is used in many material design calculations.
以上の技術背景に鑑み、本発明者は、局在電子軌道に対する相互作用パラメータUeff値の算出に擬ポテンシャル法を適用する手法を新たに提供し、当該手法を用いて算出されたUeff値を用いた擬ポテンシャル法による計算により、材料(固体)の電子状態を計算する技術を提供する。より具体的には、実効ポテンシャルが擬ポテンシャルエネルギーに比べて微小である場合について、擬ポテンシャル計算に基づいて実効ポテンシャルとエネルギーギャップを計算する手法を提供する。 In view of the above technical background, the present inventor newly provides a method of applying the pseudopotential method to the calculation of the interaction parameter U eff value for the localized electron orbit, and the U eff value calculated using the method. The technology to calculate the electronic state of a material (solid) by the pseudopotential method using More specifically, the present invention provides a method for calculating the effective potential and the energy gap based on the pseudopotential calculation when the effective potential is small compared to the pseudopotential energy.
本発明により、局在電子軌道を有する電子系の実効ポテンシャルを、エネルギーギャップを実測することなく高精度に計算することができる。 According to the present invention, the effective potential of an electron system having a localized electron orbit can be calculated with high accuracy without actually measuring the energy gap.
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、後述する装置構成や処理動作の内容は発明を説明するための一例であり、本発明は、後述する装置構成や処理動作に既知の技術を組み合わせた発明や後述する装置構成や処理動作の一部を既知の技術と置換した発明も包含する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the contents of the device configuration and processing operation described below are examples for explaining the invention, and the present invention relates to an invention in which a known technology is combined with the device configuration and processing operation described later, and the device configuration and processing operation described later. It also includes inventions that partially replace known techniques.
(概念構成)
以下では、材料(固体)を構成する電子のうち遍歴性(非局在性)が高いs電子及びp電子を密度汎関数(DFT)法で扱い、材料(固体)を構成する原子に局在化するd電子及びf電子をハートリーフォック波動関数法により扱うDFT+U電子状態計算システム(プログラム)において、DFT+U計算に必要な局在電子間の相互作用パラメータUeffを第一原理的(数値的)に計算して材料(固体)の電子状態を計算することができるDFT+U電子状態計算システム(プログラム)について説明する。
(Conceptual composition)
In the following, s electrons and p electrons with high itinerant (delocalization) among the electrons constituting the material (solid) are handled by the density functional (DFT) method and localized to the atoms constituting the material (solid). In the DFT + U electronic state calculation system (program) that handles the d-electrons and f-electrons to be converted by the Hartree Fock wave function method, the interaction parameter U eff between the localized electrons required for the DFT + U calculation is first-principles (numerical) A DFT + U electronic state calculation system (program) that can calculate the electronic state of a material (solid) by calculating the following.
ただし、ここでのハートリーフォック法は、同一の原子に属するd電子間及びf電子間の相互作用のみを考慮する近似的ハートリーフォック法を意味するものとする。また、DFT+U電子状態計算システムは、計算に必要なデータの入力及び計算結果の表示に使用されるグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)と、計算を実行する演算装置と、計算に必要なデータや計算結果を記憶する記憶装置とを有しているものとする。 However, the Hartley Fock method here means an approximate Hartley Fock method that considers only the interaction between d electrons and f electrons belonging to the same atom. The DFT + U electronic state calculation system also includes a graphical user interface (GUI) used for inputting data necessary for calculation and displaying the calculation result, an arithmetic unit for executing the calculation, and data and calculation results necessary for the calculation. It is assumed that a storage device that stores data is included.
ここでのDFT+U電子状態計算システム(プログラム)は、材料(固体)を構成する原子の内殻電子が価電子に及ぼす効果を荷電子に対する擬似的なポテンシャルとして表し、価電子の波動関数を平面波の線形結合に展開して材料(固体)の電子状態を計算する機能を有するものとする。すなわち、DFT+U電子状態計算システム(プログラム)は、原子の内殻電子を無視して価電子のみを取り扱うものとする。 The DFT + U electronic state calculation system (program) here expresses the effect of the inner core electrons of the atoms constituting the material (solid) on the valence electrons as a pseudo-potential, and expresses the wave function of the valence electrons as a plane wave. It is assumed that it has a function of calculating an electronic state of a material (solid) by expanding into a linear combination. That is, the DFT + U electronic state calculation system (program) ignores the inner core electrons of atoms and handles only valence electrons.
なお、電子状態計算システム(プログラム)は、計算に必要とされる原子の擬ポテンシャルデータを有しており、当該擬ポテンシャルデータを計算実行時に入力データとして自動的に設定する機能を有していることが好ましい。 The electronic state calculation system (program) has pseudo-potential data of atoms required for calculation, and has a function of automatically setting the pseudo-potential data as input data at the time of calculation execution. It is preferable.
また、電子状態計算システム(プログラム)は、計算に必要とされる固体の結晶構造の情報(格子定数、空間群、原子種及び位置)と局在化したd電子又はf電子を有する原子の情報をコンピュータディスプレイ上でマウス、キーボードその他の入力装置に対する操作を通じて入力する機能と、計算終了後に固体の電子バンド構造及び/又はバンドギャップを操作画面上に表示する機能を有していることが好ましい。 The electronic state calculation system (program) also provides information on the crystal structure of a solid (lattice constant, space group, atomic species and position) required for the calculation and information on atoms having localized d electrons or f electrons. It is preferable that a computer has a function of inputting through a mouse, keyboard, or other input device, and a function of displaying a solid electronic band structure and / or band gap on the operation screen after completion of the calculation.
また、電子状態計算システム(プログラム)は、局在電子の相互作用パラメータueff値を零付近で段階的に変化させてDFT+U計算を行うことにより、局在電子に対するUeff値を、DFT+U計算により得られる全電子エネルギー成分と局在電子数で表されるハートリーフォック電子エネルギー成分の差として定義される電子エネルギーのDFT成分の局在電子数に関する2次微分係数として計算することが好ましい。ここで、ueffは、変数としての局在電子間の相互作用パラメータである。また、局在電子に対するueff値は、-0.5eVから0.5eV、又は0eVから0.5eV、又は-0.5eVから0eVの範囲で0.1eVずつ段階的に変化させることが好ましい。 The electronic state calculation system (program), by performing DFT + U calculated stepwise changing the interaction parameter u eff value of the localized electrons near zero, the U eff value for localized electrons, the DFT + U calculations It is preferable to calculate the second derivative of the DFT component of the electron energy defined as the difference between the total electron energy component obtained and the Hartley Fock electron energy component represented by the number of localized electrons. Here, u eff is an interaction parameter between localized electrons as a variable. Further, the u eff value for the localized electrons is preferably changed stepwise by 0.1 eV in a range of −0.5 eV to 0.5 eV, 0 eV to 0.5 eV, or −0.5 eV to 0 eV.
また、電子状態計算システム(プログラム)は、電子エネルギーのDFT成分EDFTを、局在電子数をn、最小2乗パラメータA、B及びCを用いてEDFT(n)=An(n-1)+B+Cの関数で表すとき、DFT成分EDFTの局在電子数に関する2次微分係数を2Aとして計算することが好ましい。もっとも、電子状態計算システム(プログラム)は、DFT成分EDFTの局在電子数に関する2次微分係数を、電子エネルギーのDFT成分EDFTの局在電子数nの差分として計算しても良い。 Further, the electronic state calculation system (program) uses the DFT component E DFT of the electron energy, the number of localized electrons as n, and the least square parameters A, B and C as E DFT (n) = An (n−1 ) When expressed as a function of + B + C, it is preferable to calculate the secondary differential coefficient regarding the number of localized electrons of the DFT component E DFT as 2A. However, electronic state calculation system (program), the second derivative about the localized electrons the number of DFT components E DFT, may be calculated as the difference of the localized electron number n of the electron energy of the DFT components E DFT.
なお、前述した電子状態計算システム(プログラム)における局在電子は、遷移金属元素のd電子又は希土類元素のf電子であることが好ましい。換言すると、前述した電子状態計算システム(プログラム)における材料(固体)は、遷移金属酸化物又は希土類酸化物であることが望ましい。また、前述した電子状態計算システム(プログラム)は、CMOSトランジスタのhigh-kゲート絶縁膜、熱電変換材料、金属酸化物触媒の材料設計システムに適用して好適である。 The localized electrons in the electronic state calculation system (program) described above are preferably d electrons of transition metal elements or f electrons of rare earth elements. In other words, the material (solid) in the electronic state calculation system (program) described above is preferably a transition metal oxide or a rare earth oxide. Further, the electronic state calculation system (program) described above is suitable for application to a material design system for a high-k gate insulating film of a CMOS transistor, a thermoelectric conversion material, and a metal oxide catalyst.
(期待される効果)
前述したように、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)では、局在電子軌道に対する相互作用パラメータUeffを擬ポテンシャル法について第一原理的に計算し、当該計算された相互作用パラメータUeffを用いて擬ポテンシャル法によるDFT+U計算を実行することにより、局在電子軌道を有する固体の電子状態を第一原理的に計算することができる。結果的に、遷移金属酸化物や希土類酸化物における電子状態を、従来手法と比較してより正確に計算することができる。
(Expected effect)
As described above, in the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, the interaction parameter U eff for the localized electron orbit is calculated in the first principle for the pseudopotential method, and the calculated interaction parameter is calculated. By executing DFT + U calculation by the pseudopotential method using U eff , the electronic state of a solid having a localized electron orbit can be calculated in a first principle. As a result, the electronic state in the transition metal oxide or rare earth oxide can be calculated more accurately than in the conventional method.
これに対し、従来使用されているDFT法による電子状態の計算では、Kohn-Sham電子の自己相互作用のため、材料のバンドギャップが実測値に比較して過小評価される問題点があった。また、従来手法の場合、擬ポテンシャル法に基づくDFT+U法において、計算に用いる相互作用パラメータUeff値を第一原理的に決めることができず、経験的なUeff値を用いる必要があった。このため、後者の従来手法には、計算結果に任意性が入るのを避け得ない問題があった。 On the other hand, in the calculation of the electronic state by the conventionally used DFT method, there is a problem that the band gap of the material is underestimated compared to the actual measurement value due to the self-interaction of Kohn-Sham electrons. Further, in the conventional technique, the DFT + U method based on pseudo-potential method, an interaction parameter U eff values used for calculation can not be determined in the first principle, it is necessary to use empirical U eff value. For this reason, the latter conventional method has a problem in which it is inevitable that the calculation result is arbitrary.
このように、従来使用可能な擬ポテンシャル法に基づく第一原理計算では、材料の電子状態を正確に記述できない問題があった。 Thus, the first-principles calculation based on the pseudopotential method that can be used conventionally has a problem that the electronic state of the material cannot be accurately described.
一方、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)の場合には、擬ポテンシャル法により原子に局在する軌道に対するUeff値を第一原理的に求めることを可能とし、DFT+U法による正確な電子状態の計算を可能とする。 On the other hand, in the case of the electronic state calculation system proposed herein (program), and enabling the determination of the U eff value first principle for orbital localized on the atom by pseudopotential method, precisely by DFT + U method It is possible to calculate the electronic state.
(形態例)
本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)は、擬ポテンシャル法によるDFT+U電子状態計算プログラムと、計算に必要なGUIインターフェースと、演算装置と、記憶装置を基本構成とする。これら基本構成に関する部分には、既知の技術を流用することができる。本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)に特徴的な構成は、DFT+U計算に必要な局在電子に対する相互作用パラメータUeff値を第一原
理的に計算するための機能の搭載である。
(Example)
The electronic state calculation system (program) proposed in this specification has a DFT + U electronic state calculation program based on a pseudopotential method, a GUI interface necessary for calculation, an arithmetic device, and a storage device as a basic configuration. A known technique can be used for these basic components. The characteristic structure of the electronic state calculation system (program) proposed in this specification is the loading of a function for first-principles calculation of interaction parameter U eff values for localized electrons required for DFT + U calculation. .
前述したDFT+U電子状態計算プログラムは、固体を構成する原子の内殻電子が価電子に及ぼす効果を価電子に対する擬似的なポテンシャルとして表し、価電子の軌道を平面波の線形結合に展開して固体の電子状態を計算する擬ポテンシャル法に基づいた電子状態のプログラムである。擬ポテンシャル法は、比較的少ない計算コストで高精度に材料の電子状態を計算することができる。 The DFT + U electronic state calculation program described above expresses the effect of the core electrons of atoms constituting the solid on the valence electrons as a pseudo potential for the valence electrons, and expands the orbit of the valence electrons into a linear combination of plane waves. It is a program of electronic states based on the pseudopotential method for calculating electronic states. The pseudo-potential method can calculate the electronic state of a material with high accuracy at a relatively low calculation cost.
擬ポテンシャル法による電子状態の計算では、原子の擬ポテンシャルデータが必要である。原子の擬ポテンシャルデータは、原子種ごとに異なるので、本明細書で提案するシステム(プログラム)では、擬ポテンシャルデータライブラリーより、計算に必要なポテンシャルデータを電子状態計算プログラムの入力データとして自動的に設定する機能を搭載する。 The calculation of electronic states by the pseudopotential method requires atomic pseudopotential data. Since the pseudopotential data of an atom differs for each atomic species, the system (program) proposed in this specification automatically uses the potential data necessary for the calculation as input data for the electronic state calculation program from the pseudopotential data library. Equipped with the function to set to.
本明細書で提案するシステム(プログラム)の場合、電子状態の計算時に必要となる固体の結晶構造の情報(格子定数、空間群、原子種及び位置)及び局在化したd電子又はf電子を有する原子の位置情報を、コンピュータディスプレイ上に表示される画面を通じて設定する機能と、計算の終了後に算出された固体の電子バンド構造及びバンドギャップをコンピュータディスプレイ上に表示する機能(GUI機能)を有している。このGUI機能により、ユーザはコンピュータディスプレイ上でDFT+U電子状態計算に必要な材料データの入力を行うことができる。なお、当該設定に要する操作入力には、マウス、キーボードその他の操作入力装置が用いられる。 In the case of the system (program) proposed in this specification, information on the crystal structure of a solid (lattice constant, space group, atomic species and position) and localized d-electrons or f-electrons necessary for calculating the electronic state A function to set the position information of atoms through the screen displayed on the computer display, and a function to display the solid electronic band structure and band gap calculated after the calculation on the computer display (GUI function) is doing. This GUI function allows a user to input material data necessary for DFT + U electronic state calculation on a computer display. Note that an operation input device such as a mouse, a keyboard or the like is used for the operation input required for the setting.
前述したように、本明細書で提案するシステム(プログラム)の最大の特徴は、擬ポテンシャル法により局在電子に対するUeff値を第一原理的に計算できる点にある。この点について、以下に詳細に説明する。 As described above, the greatest feature of the system (program) proposed in this specification is that the U eff value for localized electrons can be calculated in a first principle by the pseudopotential method. This point will be described in detail below.
DFT+U法は、遍歴性の高いs電子とp電子をDFT法で記述し、局在性の高いd電子とf電子をHF法で記述する方法である。Ueff値は、これら局在電子間の相互作用を記述するパラメータである。Ueff値は、非特許文献4に記載されているように、制限DFT法と呼ばれる方法を用いて計算することができる。非特許文献4では、以下に示す式1を用いてUeff値を計算する。
The DFT + U method is a method in which s electrons and p electrons with high itinerary are described by the DFT method, and d electrons and f electrons with high localization are described by the HF method. The U eff value is a parameter that describes the interaction between these localized electrons. The U eff value can be calculated using a method called a restricted DFT method as described in
ここで、Eは、制限DFT法により計算される材料の全電子エネルギー、constは定数、ε0 はDFT法で計算される局在電子のエネルギー、nは局在電子数、O(n3)はnに関する3次の無視できる項である。 Here, E is the total electron energy of the material calculated by the restricted DFT method, const is a constant, ε 0 is the energy of localized electrons calculated by the DFT method, n is the number of localized electrons, and O (n 3 ) Is a third-order negligible term for n.
制限DFT法は、局在電子数nを変化させてDFT法により材料の電子状態を計算する方法である。通常のDFT計算では、nは電子エネルギーが最小になるように決定されるが、制限DFT法ではnを外部パラメータとしてDFT電子状態計算を行う点に特徴がある。この場合、相互作用パラメータUeff値は、電子エネルギーEの局在電子数nに関する2次微分係数として計算される。 The limited DFT method is a method of calculating the electronic state of a material by the DFT method by changing the number of localized electrons n. In the normal DFT calculation, n is determined so that the electron energy is minimized, but the limited DFT method is characterized in that the DFT electronic state calculation is performed using n as an external parameter. In this case, the interaction parameter U eff value is calculated as a second derivative with respect to the number of localized electrons n of the electron energy E.
非特許文献4では、LMTO法を用いて制限DFT計算を行い、式1を用いてUeff値を求めている。LMTO法では、原子の電子軌道を局在化した原子軌道で表すので、nを変化させる電子状態計算が容易である。非特許文献4では、原子領域の局在電子軌道が非局在化した他の軌道と混成しないようにして制限DFT計算を行っている。
In
しかし、擬ポテンシャル法では、非局在化した平面波を用いて電子の軌道を表すため、局在電子数を変化させて電子状態計算を行う制限DFT法の計算が容易ではない。このため、擬ポテンシャル法によりUeff値を求めてDFT+U計算を行う場合、経験的なUeff値を用いて計算を行う必要があった。その結果、計算に任意性が入り、DFT+U計算を第一原理的に行うことが困難であった。 However, in the pseudopotential method, a delocalized plane wave is used to represent an electron trajectory, so that it is not easy to perform a limited DFT method that calculates an electronic state by changing the number of localized electrons. For this reason, when the DFT + U calculation is performed by obtaining the U eff value by the pseudo-potential method, it is necessary to perform the calculation using an empirical U eff value. As a result, the calculation is arbitrary and it is difficult to perform the DFT + U calculation on the first principle.
そこで、本明細書で提案するシステム(プログラム)においては、疑ポテンシャル法により近似的な制限DFT計算を実行することによりこの問題点を解決する。 Therefore, in the system (program) proposed in this specification, this problem is solved by executing approximate limited DFT calculation by the suspicion potential method.
一般的に、DFT+U計算では、局在軌道に対するUeff値を変化させることによりnが変化することが知られている。従って、Ueffを変えた場合におけるDFT+U計算よりE(n)をなんらかの形で求めることができれば、式1によりUeff値を計算できることになる。
In general, it is known in the DFT + U calculation that n changes by changing the U eff value for the local orbit. Therefore, if E (n) can be obtained in some form from the DFT + U calculation when U eff is changed, the U eff value can be calculated by
DFT+U計算により得られる電子エネルギーEDFT+U(n)は次式で与えられることが知られている。 It is known that the electron energy E DFT + U (n) obtained by the DFT + U calculation is given by the following equation.
ここで、EDFT(n)は、EDFT+U(n)のDFT成分であり、右辺第2項はEDFT+U(n)のハートリーフォック成分である。Ueffを変数とみなして式2を書き換えると式3が得られる。
Here, E DFT (n) is the DFT component of E DFT + U (n), and the second term on the right side is the Hartley Fock component of E DFT + U (n). Rewriting
ここで、ueffは変数としてのUeff値であり、n’は変数としてのnである。ueff=0の場合、DFT+U計算はDFT計算と一致し、EDFT(n0)=E(n0)である。n0はDFT計算により得られる局在電子の数、EはDFT計算により得られるエネルギーである。ueff≠0の場合、一般的にEDFT+U(n’)≠E(n’)であるが、ueffが0に近い場合、E(n’)≒EDFT(n’)で近似できる。 Here, u eff is a U eff value as a variable, and n ′ is n as a variable. When u eff = 0, the DFT + U calculation coincides with the DFT calculation, and E DFT (n 0 ) = E (n 0 ). n 0 is the number of localized electrons obtained by DFT calculation, and E is the energy obtained by DFT calculation. When u eff ≠ 0, generally E DFT + U (n ′) ≠ E (n ′), but when u eff is close to 0, approximate by E (n ′) ≈E DFT (n ′) it can.
本明細書で提案するシステム(プログラム)では、ueffを0付近で微小に変化させてDFT+U計算を行って得られるn’とEDFT(n’)より、式4に従い、Ueff値を求めるようにした。
In the system (program) proposed in this specification, the U eff value is obtained according to
ここで、n’は、微小なueff値を用いるDFT+U計算により得られる局在軌道の電子数であり、EDFT(n’)は計算により得られる電子エネルギーのDFT成分、Ueffは局在電子に対するUeff値である。Ueff値は、EDFT(n’)のn’に関する2次微分として計算される。ここで、ueff値とUeffは異なるものである。 Here, n ′ is the number of electrons in a localized orbit obtained by DFT + U calculation using a small u eff value, E DFT (n ′) is a DFT component of electron energy obtained by calculation, and U eff is localized. U eff value for electrons. The U eff value is calculated as a second derivative with respect to n ′ of E DFT (n ′). Here, the u eff value and U eff are different.
2次微分計算は、最小2乗法を用いてEDFT(n’)をn’の2次関数で表し、関数のn’に関する2次微分係数を計算することにより求めるか、EDFT(n’)をn’で数値差分して求める。 The second-order differential calculation is performed by calculating E DFT (n ′) by a quadratic function of n ′ using the least square method and calculating a second-order differential coefficient with respect to n ′ of the function, or E DFT (n ′ ) To obtain a numerical difference by n ′.
以下では、本明細書で提案するシステム(プログラム)の適用例を示す。ここでは、ルチルTiO2について説明する。ルチルTiO2は、チタン(Ti)原子と酸素(O)原子からなり、Ti原子は局在化した3d軌道を有している。ルチルTiO2を構成するTi原子の3d軌道に対するueff値を-1.0eVから1.0eVまで0.1eVおきに変化させてDFT+U計算を行った場合のTiの3d軌道の電子数n’と電子エネルギーのDFT成分EDFT(n’)の関係を表1に示す。計算に用いた交換相関関数はLDAである。ueff値を変化させるとn’及びEDFT(n’)が変化することが確認できる。なお、変化幅は0.1eVに限定されず、0.05eVでも、0.001eVでも構わない。 Hereinafter, application examples of the system (program) proposed in this specification will be shown. Here, rutile TiO 2 will be described. Rutile TiO 2 is composed of titanium (Ti) atoms and oxygen (O) atoms, and the Ti atoms have localized 3d orbitals. The u eff value for the 3d orbital of Ti atoms that make up the rutile TiO 2 from -1.0 eV 1.0 eV to the electron number n 'of the 3d orbital of Ti in the case where by changing the 0.1eV every performed DFT + U calculations of the electron energy The relationship of the DFT component E DFT (n ′) is shown in Table 1. The exchange correlation function used for the calculation is LDA. It can be confirmed that n ′ and E DFT (n ′) change when the u eff value is changed. The change width is not limited to 0.1 eV, and may be 0.05 eV or 0.001 eV.
図1に、表1の電子数n’とDFT成分EDFT(n’)との関係をプロットして示す。図1のY軸は、EDFT(n’)-EDFT(n’0)である。n’0は、ueffの値が0の場合におけるn’ の値である。プロットの各データ点は、それぞれueffが異なるDFT+U計算による。ここで、電子エネルギーのDFT成分EDFT(n’)を、局在電子数n’と最小2乗パラメータA、B及びCを用いて表した2次関数(EDFT(n’)=An’(n’-1)+Bn+C)を最小2乗フィットすると、以下の関数が得られる。 FIG. 1 plots the relationship between the number of electrons n ′ and the DFT component E DFT (n ′) in Table 1. The Y axis in FIG. 1 is E DFT (n ′) − E DFT (n′0). n′0 is the value of n ′ when the value of u eff is 0. Each data point in the plot is based on a DFT + U calculation with a different u eff . Here, a quadratic function (E DFT (n ′) = An ′) in which the DFT component E DFT (n ′) of the electron energy is expressed using the number of localized electrons n ′ and the least square parameters A, B, and C. When (n′−1) + Bn + C) is fitted to the least squares, the following function is obtained.
ここで、最小2乗パラメータA、B及びCはそれぞれ5.3309、-24.142及び40.738である。このとき、式4の両辺をn’について2階微分すると、次式が得られる。
Here, the least square parameters A, B and C are 5.3309, −24.142 and 40.738, respectively. At this time, if both sides of
式6より、Tiの3d軌道のUeff’値として約10.66が得られている。この例では、-1.0eVから1.0eVまでueff値を変化させてDFT+U計算を行い、得られるn’及びEDFT(n’)よりTiの3d軌道に対するUeff値を算出している。しかし、ueff値を-0.5eVから0.5eVまでUeff値を変化させて同様の計算を行っても良い。この場合も、Ueff値として約10.66eVが得られる。
From
また、0.0eVから0.5eVまで又は-0.5eVから0.0eVまでueff値を変化させてDFT+U計算を実行すると、Ueff値としてそれぞれ10.42eV又は10.56eVが得られる。 Further, when the DFT + U calculation is performed by changing the u eff value from 0.0 eV to 0.5 eV or from −0.5 eV to 0.0 eV, 10.42 eV or 10.56 eV is obtained as the U eff value, respectively.
このようにして得られたUeff値は、非特許文献5に記載されているルチルTiO2を構成するTiの3d軌道に対する経験的なUeff値(10eV)に極めて近い。
The U eff value obtained in this way is very close to the empirical U eff value (10 eV) for the 3d orbit of Ti constituting rutile TiO 2 described in
前述したように、本明細書で提案するシステム(プログラム)は、ueff値を0付近で非連続的に変化させてDFT+U計算を実行する。このため、ueff値の変化数を少なくでき、DFT+U計算の量を少なくできる。すなわち、必要な計算量を減らすことができる。 As described above, the system (program) proposed in this specification performs the DFT + U calculation by changing the u eff value discontinuously near 0. For this reason, the number of changes in the u eff value can be reduced, and the amount of DFT + U calculation can be reduced. That is, the required calculation amount can be reduced.
その一方で、変化数を減少させると2次微分係数の計算に用いるデータ点も減少し、微分計算に誤差を生じる可能性が大きくなる。 On the other hand, if the number of changes is decreased, the data points used for calculating the second derivative are also reduced, which increases the possibility of an error in the derivative calculation.
そこで、本明細書で提案するシステム(プログラム)では、計算量を少なくするのと同時に誤差を少なくするために、ueff値を-0.5eVから0.5eVまで0.1eVずつ段階的に変化させてDFT+U計算を行い、局在軌道に対するUeff’値を求めるようにした。また、ueff値を-0.5eVから0eV又は0.0eVから0.5eVまで変化させて局在軌道に対するUeff’値を求めるようにした。このように0(ゼロ)付近のueff値を用いることにより、計算量を少なく抑えつつ計算誤差を小さくすることができる。 Therefore, in the system (program) proposed in this specification, in order to reduce the calculation amount and simultaneously reduce the error, the u eff value is changed in steps of 0.1 eV from −0.5 eV to 0.5 eV by DFT + U. Calculation was performed to obtain the U eff 'value for the localized orbitals. Also, so as to obtain a U eff 'values for localized trajectory by changing the u eff value from 0eV or 0.0eV from -0.5eV to 0.5 eV. In this way, by using the u eff value near 0 (zero), it is possible to reduce the calculation error while suppressing the calculation amount small.
これらの例では、式5に示す最小2乗フィッティング関数を解析的に計算してUeff値を求めたが、表1のデータを用いて式5を差分法により計算してUeff値を求めることも可能である。表1に示すueff値が-0.1eV、0.0eV及び0.1eVの場合のn’とEDFT(n’)を用いて式6の2次微分係数をの差分法を用い式7で評価するとTiの3d軌道のUeff’値として約10.67eVを得る。この値は、式5及の最小2乗フィッティング関数を用いて式5を解析的に計算して得た値10.67eVとほぼ等しい。
In these examples, the least-square fitting function shown in
ここで、EDFT(n’)Ueff=0.1eV及びn’ Ueff=0.1eVは、それぞれueff値が0.1eVの場合におけるEDFT(n’)値及びn’値である。また、ueff値が-0.1eV及び0.0eVの場合に対応する他の変数も同様である。 Here, E DFT (n ′) Ueff = 0.1 eV and n ′ Ueff = 0.1 eV are an E DFT (n ′) value and an n ′ value when the u eff value is 0.1 eV, respectively. The same applies to other variables corresponding to the cases where the u eff values are −0.1 eV and 0.0 eV.
計算により得られたTiの3d軌道に対するUeff値(10.66eV)を用いてルチルTiO2の電子状態をLDA+U擬ポテンシャル法により計算すると、図2に示すバンド構造が得られる。図2のバンドギャップEgは2.98eVである。この値は、実測バンドギャップ(3.0eV)に極めて近い。 When U eff value for the 3d orbital of the obtained Ti by calculation electronic state of rutile TiO 2 using (10.66eV) calculated by LDA + U pseudopotential method, the band structure shown in FIG. 2 is obtained. The band gap Eg in FIG. 2 is 2.98 eV. This value is very close to the measured band gap (3.0 eV).
一方、バンドギャップEgの算出に、既存のLDA擬ポテンシャル法を用いた場合のバンド構造を図3に示す。図3の場合、ハンドギャップEgは1.66eVであり、実測ギャップと比較して半分程度の値であることが分かる。 On the other hand, FIG. 3 shows the band structure when the existing LDA pseudopotential method is used to calculate the band gap Eg. In the case of FIG. 3, the hand gap Eg is 1.66 eV, which is about half that of the actually measured gap.
このように、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)を使用した場合には、擬ポテンシャル法により局在電子に対するUeff値を数値的に求め、その結果を用いて材料のバンドギャップEgを正確に予測できることが分かる。このような計算法は従来にはないものである。従って、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)は、材料のバンドギャップEgを過小評価するDFT法、経験的に求められるUeffを用いるDFT+U法その他の従来技術と比較して、電子状態計算法として優れていることが分かる。 Thus, when using the electronic state calculation system proposed herein (program), numerically determine the U eff value against localized electrons by pseudopotential method, the band gap of the material with the result It can be seen that Eg can be accurately predicted. Such a calculation method is unprecedented. Therefore, the electronic state calculation system (program) proposed in this specification is based on the DFT method that underestimates the band gap Eg of the material, the DFT + U method that uses empirically required U eff, and other conventional techniques. It turns out that it is excellent as a state calculation method.
なお、前述した説明においては、ルチルTiO2を例に、Tiの3d軌道のUeff値を計算する方法を説明したが、計算対象とする固体が希土類酸化物の場合には、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)を用いて、希土類元素の4f軌道に対するUeff値を計算することができる。例えば、6方晶型La2O3のLaの4f電子に対するUeff値を同様に計算すると、9.3eVを得る。このUeff値を用いて6方晶型La2O3のバンドギャップEgをDFT+U法により計算すると、4.4eVという値が得られる。この値は、実測値4.3eVに極めて近い。 In the above description, the method of calculating the U eff value of the 3d orbital of Ti has been described using rutile TiO 2 as an example. However, when the solid to be calculated is a rare earth oxide, The U eff value for the 4f orbit of rare earth elements can be calculated using the proposed electronic state calculation system (program). For example, when the U eff value for 4f electrons of La in hexagonal La 2 O 3 is similarly calculated, 9.3 eV is obtained. When the band gap Eg of 6 HoAkiragata La 2 O 3 by using the U eff value calculated by DFT + U method, a value of 4.4eV is obtained. This value is very close to the actually measured value of 4.3 eV.
このように、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)を用いれば、遷移金属酸化物及び希土類酸化物の局在電子に対するUeff値を第一原理的に計算でき、それら酸化物の電子状態をDFT+U法により正確に計算することができることが分かる。 As described above, by using the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, U eff values for localized electrons of transition metal oxides and rare earth oxides can be calculated in principle. It can be seen that the electronic state can be accurately calculated by the DFT + U method.
図4に、各種の遷移金属酸化物及び希土類酸化物であるランタンオキサイド(La2O3)の電子状態を、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)により計算し、計算により得られたバンドギャップEgを実測値と比較した結果を示す。なお、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)により得られる計算結果と実測値との対応関係を、図4では■(塗りつぶしで示す四角)で示す。なお、TiO2の計算には、DFT交換相関ポテンシャルにLDAを使用し、その他の物質の計算には、ポテンシャルにGGAを使用した。また、遷移金属酸化物の局在電子の計算はd軌道について実行し、ランタンオキサイドの局在電子の計算はf軌道について実行した。 In FIG. 4, the electronic states of various transition metal oxides and lanthanum oxides (La 2 O 3 ), which are rare earth oxides, are calculated by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification and obtained by calculation. The result of having compared the band gap Eg with the measured value is shown. Note that the correspondence between the calculation result obtained by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification and the actually measured value is indicated by ■ (squares shown in solid) in FIG. For the calculation of TiO 2 , LDA was used for the DFT exchange correlation potential, and for the calculation of other substances, GGA was used for the potential. The calculation of the localized electron of the transition metal oxide was performed for the d orbital, and the calculation of the localized electron of the lanthanum oxide was performed for the f orbital.
本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)では、これらの局在電子に対するUeff値を第一原理的に算出し、算出されたUeff値を用いてDFT+U法により材料の電子状態(バンドギャップEg)を計算した。なお、実際の計算では、前述したように、ueffを-0.5eVから0.5eVの範囲で0.1eVずつ変化させた。 In the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, U eff values for these localized electrons are calculated on a first principle basis, and the electronic state of the material (by the DFT + U method) using the calculated U eff value ( The band gap Eg) was calculated. In the actual calculation, as described above, u eff was changed by 0.1 eV in the range of −0.5 eV to 0.5 eV.
図4には、従来技術であるDFT法によるバンドギャップEgの計算結果も示している。図4では、従来手法で得られた計算結果と実測値との対応関係を○(白丸)で示している。図に示すように、DFT法によるバンドギャップEgは、6方晶La2O3の場合を除けば実測値を常に過小評価する傾向があることが分かる。 FIG. 4 also shows the calculation result of the band gap Eg by the DFT method which is the prior art. In FIG. 4, the correspondence between the calculation result obtained by the conventional method and the actual measurement value is indicated by ○ (white circle). As shown in the figure, it can be seen that the band gap Eg by the DFT method always tends to underestimate the actual measurement value except in the case of hexagonal La 2 O 3 .
これに対し、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)によるDFT+U電子状態の計算結果は、各種の遷移金属酸化物及び希土類酸化物のバンドギャップの実測値を正しく再現できていることが図4からも確認できる。 On the other hand, the calculation results of the DFT + U electronic state by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification correctly reproduce the measured values of the band gaps of various transition metal oxides and rare earth oxides. It can also be confirmed from FIG.
このように、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)は、従来技術と比較して、遷移金属酸化物及び希土類酸化物の電子状態をより正確に計算することができる。 Thus, the electronic state calculation system (program) proposed in the present specification can calculate the electronic states of transition metal oxides and rare earth oxides more accurately than in the prior art.
本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)は、Siトランジスタ用のhigh-kゲート絶縁膜、酸化物系熱電変換材料、金属酸化物触媒の電子状態を従来技術と比較してより正確に計算でき、これら材料の設計に応用することができる。 The electronic state calculation system (program) proposed in this specification is more accurate in comparing the electronic states of high-k gate insulating films, oxide-based thermoelectric conversion materials, and metal oxide catalysts for Si transistors compared to the prior art. Can be calculated and applied to the design of these materials.
例えば図4に見られるように、従来技術であるDFT法によりhigh-k材料であるLa2O3、単斜晶HfO2、立方晶HfO2のバンドギャップEgを計算すると、計算値は実測値よりも小さいだけでなく、材料間の実測ギャップの大小関係も正確に再現されていない。一方、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)の場合には、材料間の実測ギャップの大小関係も正確に再現できる。従って、high-k材料の絶縁性の目安であるバンドギャップEgの予測に有効である。 For example, as seen in FIG. 4, La 2 O 3 is a high-k material by DFT method is prior art, monoclinic HfO 2, when calculating the band gap Eg of the cubic HfO 2, calculated values are actually measured values In addition, the magnitude relationship of the measured gap between materials is not accurately reproduced. On the other hand, in the case of the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, the magnitude relationship of the measured gap between materials can be accurately reproduced. Therefore, it is effective in predicting the band gap Eg, which is a measure of the insulating property of the high-k material.
なお、熱電変換材料のゼーベック係数もバンドギャップEgに敏感に依存する。このため、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)は、熱電変換材料の設計に用いても有効である。なお、ゼーベック係数は、非特許文献6に示されているように、電子速度より計算可能である。
The Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material also depends sensitively on the band gap Eg. For this reason, the electronic state calculation system (program) proposed in this specification is effective even when used for the design of thermoelectric conversion materials. The Seebeck coefficient can be calculated from the electron velocity as shown in
この公知技術を応用すれば、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)により材料の電子状態を計算し、計算された電子状態に基づいて材料のゼーベック係数を求めることができる。 If this known technique is applied, the electronic state of the material can be calculated by the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, and the Seebeck coefficient of the material can be obtained based on the calculated electronic state.
また、本明細書で提案する電子状態計算システム(プログラム)においては、原子に局在化したd電子の状態を従来法と比較してより正確に記述できる。このため、遷移金属酸化物触媒のd電子の状態を正確に記述してd電子に起因する触媒活性をより正確に予測することができる。 Moreover, in the electronic state calculation system (program) proposed in this specification, the state of d electrons localized in atoms can be described more accurately than in the conventional method. For this reason, it is possible to accurately describe the d-electron state of the transition metal oxide catalyst and more accurately predict the catalytic activity due to the d-electron.
(実施例)
以下では、前述した電子状態計算システム(プログラム)の実施例を説明する。図5は、実施例に係る電子状態計算システムのシステム構成である。なお、実施例に係る電子状態計算システムは、計算を実行する演算装置と、計算に必要なデータや計算結果を記憶する記憶装置と、ユーザインターフェースその他の入力装置で構成されるコンピュータ上で実行されるプログラムによって実現される。図5は、電子状態計算システムのシステム構成を機能的に表している。
(Example)
Below, the Example of the electronic state calculation system (program) mentioned above is described. FIG. 5 is a system configuration of the electronic state calculation system according to the embodiment. The electronic state calculation system according to the embodiment is executed on a computer including an arithmetic device that executes calculation, a storage device that stores data and calculation results necessary for calculation, and a user interface and other input devices. Realized by a program. FIG. 5 functionally represents the system configuration of the electronic state calculation system.
従って、図5に示す電子状態計算システムは、メインシステム1、GUI2、材料データベース3、擬ポテンシャル(PP)データベース4、入力ファイル5、Ueff計算サブシステム6、DFT+U電子状態計算プログラム7、出力ファイル8で構成されている。図中、実線はシステムの機能面での構成を示し、破線は計算データの流れを示している。
Therefore, the electronic state calculation system shown in FIG. 5 includes a
なお、メインシステム1は、実施例に係る電子状態計算システムのメインプログラムに対応する。このメインシステム1により、電子状態の計算処理の全体が管理される。GUI2は、DFT+U電子状態計算プログラム7が必要とする入力ファイル5の作成を支援するプログラムである。GUI2は、後述するように、DFT+U電子状態計算プログラム7が必要とする材料の構造データ(格子定数、空間群、原子座標及び原子種)、DFT+U電子状態計算に関する入力データ(交換相関ポテンシャルの種類、局在軌道の種類及び局在軌道に対するUeff値の計算に関する入力)を選択的に又は記述的に入力するための操作画面を、コンピュータディスプレイ上に表示する機能を提供する。当該操作画面を通じて入力又は設定されたデータに基づいて入力ファイル5が生成される。
The
材料データベース3は、公知材料の結晶構造が記憶装置に保存されているデータベースである。材料データベース3に保存されている結晶構造のデータは、ユーザによるGUI2の操作を通じて取り出され、計算対象とする材料構造の入力値として入力ファイル5に書き込まれる。
The
擬ポテンシャル(PP)データベース4は、DFT+U電子状態計算プログラム7が電子状態の計算時に必要とする原子の擬ポテンシャルを保存するデータベースである。この実施例の場合、前述したGUI2は、ユーザが入力した材料に含まれる原子の擬ポテンシャルデータを、擬ポテンシャル(PP)データベース4から自動的に選択する機能を有するものとする。勿論、ユーザが個別に選択することもできるが、操作性の観点からは自動的な選択機能の搭載が望ましい。いずれにしても、選択された擬ポテンシャルデータのファイル名は入力ファイル5に書き込まれる。なお、GUI2の機能は、公知技術を用いて構成することができる。GUI2に関する機能を実現する公知技術として、非特許文献7がある。
The pseudo-potential (PP)
Ueff計算サブシステム6は、前述した手法を用いてDFT+U計算又はLDA+U計算に必要なUeff値を自動的に計算するプログラムとして実現される。このUeff計算サブシステム6が、特許請求の範囲における第2の演算装置に対応する。この実施例の場合、Ueff計算サブシステム6は、Ueff値の算出処理に必要なデータをGUI2を通じて取得する。また、Ueff計算サブシステム6は、Ueff値の計算に必要なueff値を入力ファイル5に書き込む。ここで、Ueff計算サブシステム6には、局在電子に対するueff値が-0.5eVから0.5eVの範囲、又は0eVから0.5eVの範囲、又は-0.5eVから0eVの範囲で与えられる。この実施例では、-0.5eVから0.5eVが、設定範囲のデフォルト値として設定されている。Ueff計算サブシステム6は、局在軌道に対するueff値が設定された範囲であるDFT+U計算又はLDA+U計算を順次実行し、各ueff値における電子エネルギーのDFT成分(擬ポテンシャル成分)と局在軌道の電子数の関係に基づいて、すなわち式6又は式7に基づいて局在電子に対するUeff値を算出する。Ueff値の算出後、Ueff計算サブシステム6は、決定された局在電子に対するUeff値を入力ファイル5に書き込む。さらに、Ueff計算サブシステム6は入力ファイル5を監視し、DFT+U電子状態計算プログラム7が必要とする全てのデータが記載された状態が確認されると、DFT+U電子状態計算プログラム7を起動する。
The U eff calculation subsystem 6 is realized as a program that automatically calculates the U eff value necessary for the DFT + U calculation or the LDA + U calculation using the above-described method. This U eff calculation subsystem 6 corresponds to the second arithmetic unit in the claims. In this embodiment, U eff computing subsystem 6, obtained through GUI2 data necessary for calculation of U eff value. Also, U eff computing subsystem 6 writes the u eff values necessary for the calculation of U eff values in the
DFT+U電子状態計算プログラム7は、DFT+U計算機能を有する擬ポテンシャル法による電子状態の計算プログラムである。このDFT+U電子状態計算プログラム7が、特許請求の範囲における第1の演算装置に対応する。DFT+U電子状態計算プログラム7は、入力ファイル5から材料構造に関する構造データ、電子状態に関する入力データ、変数としてのueff値及び擬ポテンシャルデータのファイル名を読み込んだ後、擬ポテンシャルデータのファイル名を参照して対応する擬ポテンシャルデータを擬ポテンシャル(PP)データベース4から読み込む。この後、DFT+U電子状態計算プログラム7は、これらのデータに基づいてDFT+U電子状態の計算を行う。なお、DFT+U電子状態計算プログラム7には公知技術を用いることができる。例えば非特許文献78のプログラムを用いることができる。
The DFT + U electronic
DFT+U電子状態計算プログラム7は、DFT+U電子状態計算の計算結果を出力ファイル8に出力する。出力ファイル8はGUI2を通じて読み出され、計算結果としてコンピュータディスプレイを操作するユーザに提示する。
The DFT + U electronic
図6に、Ueff計算サブシステム6によって局在電子のUeff値が算出されるまでの処理手順の概要を示す。まず、電子状態を求めようとする材料の構造がGUI2を通じて入力される(ステップS1)。次に、GUI2を通じて局在電子が指定される(ステップS2)。本実施例の場合、遷移金属酸化物及び希土類酸化物が対象である。従って、局在電子軌道として遷移金属のd電子及び希土類元素のf電子の軌道がGUI2を通じて指定される(ステップS3)。
FIG. 6 shows an outline of a processing procedure until the U eff value of the localized electron is calculated by the U eff calculation subsystem 6. First, the structure of the material whose electronic state is to be obtained is input through GUI 2 (step S1). Next, localized electrons are designated through GUI 2 (step S2). In the case of this example, transition metal oxides and rare earth oxides are targeted. Accordingly, the transition electron d-electron and the rare-earth element f-electron orbit are designated through the
続いて、局在軌道に対するUeff値の計算に使用するueff値の範囲が入力される(ステップS4)。前述したように、-0.5eVから0.5eVの範囲、又は0eVから0.5eVの範囲、又は-0.5eVから0eVの範囲が推奨範囲である。また、デフォルトの範囲は-0.5eVから0.5eVである。 Subsequently, a range of u eff values used for calculation of the U eff value for the local orbit is input (step S4). As described above, the recommended range is -0.5 eV to 0.5 eV, or 0 eV to 0.5 eV, or -0.5 eV to 0 eV. The default range is -0.5eV to 0.5eV.
これらの値がGUI2を通じて入力ファイル5に入力されると、Ueff計算サブシステム6は、指定された範囲のueff値を用いたDFT+U計算を実行し、DFT+U電子エネルギーのDFT成分EDFT(n’)を、nの2次関数で最小2乗フィットする(ステップS5)。
When these values are input to the
最小2乗フィットする2次関数(例えば式5)が得られると、Ueff計算サブシステム6は、n’に関する2次微分係数Aを求め、その値に基づいてUeff値(=2A)を算出する(ステップS6)。なお、図6では、Ueff値をフィッティング関数の2次微分係数として求めるフローチャートを示しているが、前述の通り、フィッティングを行うことなく、差分法(式7)を用いてUeffを計算しても良い。 When a quadratic function that fits the least squares (for example, Equation 5) is obtained, the U eff calculation subsystem 6 obtains the second derivative A with respect to n ′, and based on this value, calculates the U eff value (= 2A). Calculate (step S6). FIG. 6 shows a flowchart for obtaining the U eff value as the second derivative of the fitting function. However, as described above, U eff is calculated using the difference method (Equation 7) without fitting. May be.
図7に、GUI2の入力画面例を示す。図7に示す入力画面は、入力GUIウインドウ9、10及び11で構成されている。このうち入力GUIウインドウ9は、材料構造の入力及び表示用のウインドウである。この実施例では、材料構造が3次元的に表示される。図7では、ルチルTiO2の構造が表示されている。
FIG. 7 shows an example of an input screen of GUI2. The input screen shown in FIG. 7 includes
入力GUIウインドウ10は、材料構造のデータ入力用のウインドウである。この実施例では、格子定数(Lattice)、空間群(Space Group)及び原子の位置パラメータ(Positional Parameter)を入力できる。入力GUIウインドウ10には、材料構造のデータがキーボードで入力される。図7は、ルチルTiO2の構造データの入力例である。因みに、図7の場合には、チタン(Ti)及び酸素(O)の位置パラメータがキーボードにより直接入力される。
The
入力GUIウインドウ11は、DFT+U計算入力用のウインドウである。この実施例では、交換相関汎関数(DFT)の選択、局在軌道(Localized Orbital)の指定、Ueff値の指定、計算方法の指定及びueff値の可変範囲及び可変刻みを入力することができる。図7の場合、選択にはラジオボタンが使用され、値の指定にはキーボードによる直接入力が使用される。なお、図7は、交換相関汎関数(DFT)としてLDAが選択され、局在軌道(Localized Orbital)としてルチルTiO2を構成するTi原子の3d軌道が選択された様子を表している。また、Ueff値(Ueff)に関する選択可能なオプションには、ユーザによる直接入力(Input)とUeff計算サブシステム6による計算(Calc.)がある。図7では、2つのうち計算オプションが選択された様子を表している。計算方法は、前述の通り、最小2乗法を用いる方法(Least-Square)と差分法(numerical)の2つが選択可能である。図7では、最小2乗法を用いる方法が選択されている。また、図7では、ueff値の範囲は-0.5eVから0.5eVであり、ueff値のステップ幅が0.1eVに設定されている様子を表している。これらの設定はデフォルト値であり、ueffの推奨設定である。勿論、ユーザがこれらの値を直接入力することもできる。
The
図8は、計算終了後におけるGUIの出力画面例である。図8に示す出力画面は、出力GUIウインドウ12と13で構成される。出力GUIウインドウ12はバンド構造表示用のウインドウである。一方、出力GUIウインドウ13は状態密度表示用のウインドウである。図8の場合、ルチルTiO2を構成するTiの3d軌道に対するUeff値の計算結果(10.67eV)と、その値を用いたDFT+Uバンド構造が示されている。DFT+Uバンド構造は、バンドギャップEgの位置及び値と共に示されている。なお、バンドギャップEgはA点の直接遷移型であり、ギャップ値は2.98eVである。出力GUIウインドウ13には全状態密度(total)、チタン(Ti)サイトの局所状態密度(Ti)、酸素(O)サイトの局所状態密度(O)が示されている。
FIG. 8 is an example of a GUI output screen after the calculation is completed. The output screen shown in FIG. 8 includes
図9に、実施例に係る電子状態計算システムのハードウェア構成例を示す。前述したように、実施例に係る電子状態計算システム(プログラム)は、演算装置と記憶装置を有するコンピュータ17と、その周辺装置(コンピュータディスプレイ14、キーボード15、マウス16)として実現することができる。図5に示すシステムを実現するコンピュータプログラムは、コンピュータ17内のハードディスク(記憶装置)に格納されている。また、図5に示すシステムの実現に必要とされる計算処理やファイルの入出力処理は、コンピュータ17を構成するメモリ(記憶装置)及び演算装置により行う。図7及び図8に示したようなGUIウインドウは、コンピュータディスプレイ14の画面上に表示される。なお、図9に示すハードウェア構成の場合、図7に示すGUI画面に対するデータの入力操作(英数字の直接入力だけでなく、選択入力も含む。)には、キーボード15及びマウス16が用いられる。
FIG. 9 shows a hardware configuration example of the electronic state calculation system according to the embodiment. As described above, the electronic state calculation system (program) according to the embodiment can be realized as the
1…メインシステム、2…グラフィカルユーザーインターフェース(GUI)、3…材料データベース、4…擬ポテンシャルデータベース、5…入力ファイル、6…Ueff計算サブシステム、7…DFT+U電子状態計算プログラム、8…出力ファイル、9…入力GUIウインドウ、10…入力GUIウインドウ、11…入力GUIウインドウ、12…出力GUIウインドウ、13…出力GUIウインドウ、14…コンピュータディスプレイ、15…キーボード、16…マウス、17…コンピュータ。
Claims (13)
前記DFT+U法による計算に必要なデータを入力する入力装置と、
前記第1の演算装置による計算結果を出力する出力装置と、
前記データ及び前記計算結果を記憶する記憶装置と、
前記第1の演算装置による計算に先立って、指定入力された前記材料の局在性が高い電子間の相互作用パラメータUeffを擬ポテンシャル法により第一原理的に計算し、計算結果を前記第1の演算装置に与える第2の演算装置と
を有することを特徴とする電子状態計算システム。 Based on the DFT + U method, which treats highly itinerant (non-localized) electrons with density functional (DFT) and treats highly localized electrons with Hartley Fock wavefunction, A first computing device for calculating;
An input device for inputting data necessary for calculation by the DFT + U method;
An output device for outputting a calculation result by the first arithmetic unit;
A storage device for storing the data and the calculation result;
Prior to the calculation by the first arithmetic unit, the interaction parameter U eff between electrons having high localization of the specified input material is calculated in a first principle by the pseudopotential method, and the calculation result is calculated by the first calculation. An electronic state calculation system, comprising: a second arithmetic device to be given to one arithmetic device.
局在性の高い電子の相互作用パラメータueff値を零付近で段階的に変化させて、各相互作用パラメータueff値に対するDFT+U法の計算を実行し、当該計算により得られるDFT+U電子エネルギーとハートリーフォック電子エネルギーの差として定義される電子エネルギーのDFT成分の局在電子数に関する2次微分係数として、局在性の高い電子に対する相互作用パラメータUeff値を計算し、計算された相互作用パラメータUeff値を前記第1の演算装置に与える
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The second arithmetic unit is:
The DFT + U method calculation is performed for each interaction parameter u eff by changing the interaction parameter u eff value of highly localized electrons stepwise near zero, and the DFT + U electron energy and heart obtained by the calculation are executed. The interaction parameter U eff for a highly localized electron is calculated as the second derivative of the DFT component of the DFT component of the electron energy defined as the difference between the Reefock electron energy, and the calculated interaction parameter electronic state calculation system according to claim 1, characterized in providing a U eff value to the first computing device.
ことを特徴とする請求項2に記載の電子状態計算システム。 The electronic state calculation system according to claim 2, wherein the interaction parameter u eff is an interaction parameter between localized electrons as a variable.
ことを特徴とする請求項2に記載の電子状態計算システム。 The interaction parameters u eff value for a high localized electrons, characterized by the range of 0.5eV from -0.5, or 0 to 0.5eV range, or -0.5 be gradually changed within the range of 0eV from The electronic state calculation system according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2に記載の電子状態計算システム。 The DFT component E DFT of the electron energy, localized electron number n and least squares parameter A, with B and C, E DFT (n) = An (n-1) + Bn + C, when expressed as, the secondary The electronic state calculation system according to claim 2, wherein the differential coefficient is calculated as 2A.
ことを特徴とする請求項2に記載の電子状態計算システム。 When the DFT component E DFT of the electron energy is expressed as E DFT (n) = An (n−1) + Bn + C using the number of localized electrons n and the least square parameters A, B and C, the second derivative The electronic state calculation system according to claim 2, wherein the coefficient is calculated by calculating a difference between EDFT and n.
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The electronic state calculation system according to claim 1, wherein the highly localized electrons are d electrons of a transition metal element or f electrons of a rare earth element.
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The electronic state calculation system according to claim 1, wherein the designated input material is a transition metal oxide or a rare earth oxide.
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The high-k gate insulating film, the oxide-based thermoelectric conversion material, or the metal oxide catalyst material is designed based on the electronic state calculated for the specified input material. Electronic state calculation system.
前記材料を構成する原子の内殻電子が価電子に及ぼす効果を価電子に対する擬似的なポテンシャルとして表し、価電子の軌道を平面波の線形結合に展開して前記材料の電子状態を計算する
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The first arithmetic unit includes:
The effect of the core electrons of the atoms constituting the material on the valence electron is expressed as a pseudo potential for the valence electron, and the electronic state of the material is calculated by expanding the orbit of the valence electron into a linear combination of plane waves. The electronic state calculation system according to claim 1, wherein:
前記第1の演算装置は、指定入力された材料に関する前記擬ポテンシャルデータを前記記憶装置から自動的に取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The storage device has pseudo-potential data of atoms necessary for the DFT + U calculation,
2. The electronic state calculation system according to claim 1, wherein the first arithmetic device automatically acquires the pseudo-potential data related to a designated input material from the storage device. 3.
前記出力装置は、計算結果として指定入力された材料の電子バンド構造及び状態密度を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の電子状態計算システム。 The input device is used to input information on the crystal structure (lattice constant, space group, atomic species and position) of a material specified and input as data necessary for calculation and information on atoms having highly localized electrons. ,
The electronic state calculation system according to claim 1, wherein the output device outputs an electronic band structure and a state density of a material designated and input as a calculation result.
遍歴性(非局在性)が高い電子を密度汎関数で扱い、局在性が高い電子をハートリーフォック波動関数で扱うDFT+U法に基づいて、指定入力された材料の電子状態を計算する第1の演算処理と、
前記DFT+U法による計算に必要なデータの入力を受け付ける処理と、
前記第1の演算処理による計算結果を出力する処理と、
前記データ及び前記計算結果を記憶装置に記憶させる処理と、
前記第1の演算処理による計算に先立って、指定入力された前記材料の局在性が高い電子間の相互作用パラメータUeffを擬ポテンシャル法により第一原理的に計算し、計算結果を前記第1の演算装置に与える第2の演算処理と
を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。 On the computer,
The electronic state of a specified input material is calculated based on the DFT + U method in which high itinerant (delocalization) electrons are handled by density functionals and high localization electrons are handled by Hartley Fock wave functions. 1 arithmetic processing,
A process of accepting input of data necessary for calculation by the DFT + U method;
A process of outputting a calculation result by the first calculation process;
Processing to store the data and the calculation result in a storage device;
Prior to the calculation by the first arithmetic processing, the interaction parameter U eff between the electrons having high localization of the specified input material is calculated in a first principle by the pseudo-potential method, and the calculation result is calculated by the first calculation. A computer program for executing a second arithmetic processing given to one arithmetic device.
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| CN108875135A (en) * | 2018-05-11 | 2018-11-23 | 沈阳工业大学 | A kind of weld seam magnetic memory signal characteristic recognition method |
| US11113611B2 (en) * | 2017-08-28 | 2021-09-07 | Korea Institute Of Science And Technology | Method and electronic apparatus for predicting electronic structure of material |
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| CN108875135B (en) * | 2018-05-11 | 2022-07-15 | 沈阳工业大学 | Weld magnetic memory signal feature identification method |
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