阪大と東大、表面・界面の構造解析を簡便に行えるソフトウェアを開発

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酸化物薄膜の構造モデル

大阪大学と東京大学による研究グループは2017年10月23日、情報科学に基づく表面構造解析ソフトウェアを開発したと発表した。様々な性質を示す遷移金属酸化物の界面を対象として開発されたもので、物質の表面付近の原子配置を非破壊・非接触で0.02Åの高分解能で解析できるという。

遷移金属酸化物は、金属元素の組み合わせを変えることで、ほとんど同じ結晶構造を持ちつつ性質の異なる多くの物質を作ることができる。これらを原子スケールで接合させることで、結晶構造の連続性を保ったまま、異なる性質を持った物質の間の界面を形成できるため、活用する研究が進められている。

形成した界面の構造を調べる際、結晶構造を解析する手法としては、非破壊・非接触で高分解能な構造決定が可能な「X線結晶構造解析」が古くから知られている。しかし、表面や界面からの距離によって構造は変化するため、原子スケールでの構造を知るためには非常に多くのパラメーターを決定する必要があり、そこに困難があった。

今回同研究グループでは、結果の信頼度を正確に評価するため、情報科学で用いられるベイズ推定の考え方を取り入れた。この結果、無数に考えられる原子配列(=構造)のうち、どの構造の実現確率がどの程度なのかを評価できるようになった。さらに、乱数により数値計算を行うモンテカルロ法を用いて解析ソフトウェアを開発したことで、安定して正解の構造を発見できるようになった。

この成果により、データの精度による解析結果の信頼度を評価することや、安定した解析結果を得ることが可能になり、従来大きな労力を要していた表面/界面構造解析を、半自動的に実行できる可能性が開けたという。

同グループによると、今回の開発により従来は難しかった異種物質界面の構造制御の進展が期待されるという。また、解析の自由度が高いため、大型計算機を用いて、より複雑な構造にも適用できるように拡張可能だとしている。

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