JP2003303313A - 粒子シミュレーションシステムおよび記憶媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、粒子の運動の設定をより汎用的に簡
易にすることを課題とする。 【解決手段】 少なくとも吸着子からなる第１の粒子群
の粒子の発生条件として、複数個の発生期間と粒子の量
に関する情報と、発生位置を四角形の領域として画面上
で操作者に指定させて運動条件記憶部に記録する運動条
件設定手段と、前記運動条件設定手段で記録された第１
の粒子群中の粒子の発生期間と粒子の量と、発生位置に
関する情報に基づいて、シミュレーション中の指定され
た期間に、前記設定された粒子の量を、記録された領域
より発生させて粒子の運動の計算処理を行う分子運動計
算手段とを備えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粒子（原子、分
子、または、原子、分子より構成されるもの）の運動を
分子動力学計算を行うことで、粒子の現象をシミュレー
ションするものに関する。新素材の開発において、成膜
過程やプロセス条件、そして表面構造の詳細を知るに
は、走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）等の実験的手段があるが、これだけでは
不十分であり、どのような過程を経て最終的な現象が起
きたかを見るためには、原子、分子レベルでその現象
（結晶の成長、表面吸着、表面損傷等）をシミュレーシ
ョンする必要がある。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子、分子レベルで結晶の成長、
表面吸着、表面損傷等の現象を、分子動力学的手法でシ
ミュレーションすることは行われていたが、分子動力学
計算を行うプログラムに入力するデータ（どのような粒
子がどのような属性を持っているかなど）が、個々のシ
ミュレーション対象毎で異なり、さらに、分子のデータ
は膨大であるために、それを手作業で作成するのは極め
て困難であった。そこで、研究者は自分のシミュレーシ
ョンの対象毎に、分子データを作成するプログラムを開
発していたが、その開発に多くの時間を要していた。ま
た、シミュレーションする対象が異なると、分子データ
を作成するプログラムを再作成しなければならなかっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】吸着、結晶成長、
表面損傷など様々な現象を扱えるように、より汎用的な
シミュレーションシステムを開発することが望まれてい
る。すなわち、複数の原子、分子、粒子を対象とし、さ
らに、多くのシミュレーションの状態（初期状態）をカ
バーし、操作性が統一できるようなプログラム上のモデ
ルを考慮する必要がある。汎用的なモデルについては、
粒子の運動自体（どういったタイミング粒子が動きだす
か）と、粒子の初期位置（どこから粒子が動きだすか）
とについて考慮する必要がある。

【０００４】また、いくら汎用的なモデルを考案したと
しても、個々のシミュレーションの対象に合致するよう
にするためには、分子動力学計算を行うプログラムに様
々な設定値（パラメタ）を入力する必要がある。しか
し、操作者はパラメタの意味を十分理解している必要が
あり、例え、理解していたとしても、シミュレーション
対象における、変更したパラメタ値の変更の大きさが理
解しにくいという問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の粒子の運動自体の
設定をより汎用的にするという課題については、第１の
粒子群と第２の粒子群とから構成される粒子の運動をシ
ミュレーションするために、前記第１の粒子群の粒子の
発生条件として、複数個の発生期間と粒子の量に関する
情報を画面上で操作者に選択させて設定する運動条件設
定手段と、前記運動条件設定手段で設定された第１の粒
子群中の粒子の発生期間および粒子の量に関する情報に
基づいて、シミュレーション中の指定された期間に、前
記設定された粒子の量を発生させて粒子の運動の計算処
理を行う分子運動計算手段とを設けることで解決され
る。

【０００６】また、上記の粒子の初期位置の設定をより
汎用的にするという課題については、第１の粒子群と第
２の粒子群とから構成される粒子の運動をシミュレーシ
ョンするために、前記第１の粒子群の粒子の発生位置を
領域として、画面上で操作者に指定させて設定する運動
条件設定手段と、前記運動条件設定手段で設定された領
域より、第１の粒子群の粒子の発生させて、粒子の運動
の計算処理を行う分子運動計算手段とを設けることで解
決される。

【０００７】さらに、設定した値とシミュレーション全
体との関係を、操作者に理解しやすくするという課題に
ついては、粒子の運動の計算処理を行い当該粒子におけ
る現象をシミュレートする分子運動計算手段に入力され
る粒子の運動条件を、画面を通して操作者に設定させ
る、運動条件設定手段と、前記運動条件設定手段で設定
した条件に基づいて、粒子の運動の初期状態を示す図を
画面に表示する初期運動状態図表示手段とを設けること
で解決される。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明のシステム構成図を
示す図である。１は処理装置、２は表示装置、１０は粒
子シミュレーションの対象を設定する設定手段であり、
設定手段１０は、粒子の運動条件を設定する運動条件設
定手段１１と運動条件設定手段１１で設定した内容を表
示装置２にグラフィック表示する初期運動状態図表示手
段１２より構成される。２０は粒子の運動を時系列に計
算していく分子運動計算手段２０であり、上記運動条件
設定手段１１で設定した内容に基づいて、粒子を発生さ
せる粒子発生手段２１と、計算対象の粒子（原子または
分子）の相互作用を計算する分子動力学計算手段２２よ
り構成される。３１は粒子運動計算手段で求めた粒子の
運動を、表示装置２に表示するシミュレーション表示手
段である。

【０００９】５１、５２、５３はそれぞれ分子構造Ｄ
Ｂ、結晶構造ＤＢ、分子性結晶ＤＢであり、操作者はこ
れらのＤＢからシミュレーションの対象となる粒子を前
記運動条件設定手段１１を用いて選択する。これらのＤ
Ｂには、分子や結晶の原子構成情報が記憶されており、
分子動力学計算手段２２は、選択された粒子に対応する
原子構成情報を用いて粒子の運動を計算する。６０は粒
子（原子または分子）間の相互作用（ポテンシャル）を
計算するためのプログラムの集合であるポテンシャルラ
イブラリである。選択された粒子間でどの相互作用（例
えば、ファンデルワールス力、クーロン力等）を考慮す
るかを操作者に指定させ、分子動力学計算手段２２が、
その指定内容に従い、このポテンシャルライブラリより
該当する相互作用を求めるプログラムを用いて、粒子間
の運動を計算する。

【００１０】７は、前記設定手段１１で設定した運動条
件を記憶しておく、運動条件記憶部であり、粒子運動計
算手段２０は、運動条件記憶部７の内容に基づいて、粒
子の運動を計算する。４は粒子運動計算手段２０が計算
した結果を時系列に記憶する時系列記憶部であり、シミ
ュレーション表示手段３１は時系列記憶部４の内容を時
系列に、表示装置２にグラフィック表示をする。操作者
は表示装置２に表示されたグラフィック表示により、粒
子のシミュリーション結果を観察する。

【００１１】図２は、本願発明におけるシステムの全体
の流れ、すなわち、シミュレーション対象の設定から粒
子の運動の計算およびその計算結果の出力までのフロー
を示す図である。この実施例においては、シミュレーシ
ョン対象の粒子は、成膜等の、外から観察すると静止し
ている（分子レベルでは分子運動を多少している）粒子
群である基盤粒子と、成膜等の静止している粒子群に衝
突する粒子群である吸着子（吸着粒子）とより構成され
ている。

【００１２】まず、シミュレーション対象の設定につい
ては、設定手段１０の運動条件設定手段１１が、操作者
にシミュレーション対象の粒子（基盤粒子と吸着子）に
関する種種の設定を行わせ（Ｓ１００）、設定手段１０
の初期運動状態図表示手段１２が、操作者が設定した内
容を表示装置にグラフィック表示する（Ｓ２００）。す
べての設定が終わると（Ｓ３００）、設定手段１０が設
定した内容を運動条件記憶部７に記憶する。Ｓ１００で
は、吸着子はいつ、どの位置からどの方向にどのくらい
の速度を持って発生するか、基盤粒子はどのような属性
であるか等の設定が行われ、Ｓ２００で、各粒子の状態
が図として表示されるので、操作者は自分が設定した内
容の、シミュレーション対象の全体における意味（影
響）を確認することができる。また、Ｓ１００では、吸
着子および基盤粒子として、具体的にどの物質を用いる
かの設定も行わせる（設定画面は図示していない）。こ
れは、図１に示した分子構造ＤＢ５１、結晶構造ＤＢ５
２、分子性結晶ＤＢ５３の中から、操作者に選択指定さ
せるものである。

【００１３】Ｓ４００は、シミュレーションの初期処理
であり、設定された基盤粒子の情報に基づいて、基盤粒
子データが作成される。基盤粒子は吸着子と異なり、初
期の粒子数と時間経過後の粒子数が同じであるため、シ
ミュレーションの開始前に作成する。また、同時に吸着
子について、いつどの粒子を発生させるかを示すデータ
を作成する。

【００１４】これ以降は時間経過毎に順次処理を行うシ
ミュレーションの処理であり、まず、現時点において発
生させるべき吸着子のデータがあるか判定し（Ｓ４１
０）、あれば該当する吸着子を発生させる（Ｓ４２
０）。発生させた吸着子と基盤粒子とについて、分子動
力学計算を行う（Ｓ５００）。分子動力学計算の結果を
ファイル出力する（Ｓ５１０）。そして時間を進め、終
了時間になったかを判定し（Ｓ５２０）、終了時間にな
っていれば、シミュレーションのための分子動力学計算
を止める。その後、操作者の指示に基づいて、シミュレ
ーションの結果をグラフィック表示する（Ｓ６００）。
すなわち、先の分子動力学計算の結果を格納したファイ
ルには時系列に各粒子の状態（座標等）が格納されてお
り、その情報に基づいて、グラフィック表示する。

【００１５】図３は、吸着子および基盤粒子の設定のう
ち、吸着子発生源設定および基盤粒子属性設定の処理フ
ローを示すものである。なお、基盤粒子は、位置を移動
しない固定粒子と、温度が一定の温度制御粒子と、位置
の移動の制限も温度の変化の制限もない自由粒子とがあ
る。 図７の設定画面は、吸着子発生源（Ｓｏｕｒｃｅ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｅ ）の設定画面７１０
と、基盤粒子の温度制御粒子（Ｈｅａｄ Ｂａｔｈ Ｃ
ｏｍｐｏｎｅｎｔ）の設定画面７２０と、基盤粒子の固
定粒子（Ｆｉｘｅｄ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の設定画面
７３０と、吸着子と基盤粒子の設定情報の関係をグラフ
ィック表示する画面７５０と、グラフィック表示画面７
５０の視点方向を変更するための画面（Ｖｉｅｗｉｎ
ｇ）７６０より構成されている。

【００１６】グラフィック表示画面７５０のうち、７５
１は吸着子発生源の領域を示したものであり、７５２は
吸着子が吸着子発生源７５１から最大どのくらいの角度
で初速度を与えられて発生するかを示す図である。７５
３、７５４は基盤粒子の属性の範囲を示す図であり、７
５３は基盤粒子の固定粒子の範囲を示し、７５３は基盤
粒子の温度制御粒子の範囲を示している。これらは、操
作者が設定画面を通して設定した内容を、設定手段１０
の初期運動状態図表示手段１２が表示するものである。

【００１７】吸着子発生源、基盤粒子の温度制御粒子、
基盤粒子の固定粒子の各々の設定画面（７１０、７２
０、７３０）では、スライダと呼ばれる四角のマーク
を、操作者がマウスを用いて左右に移動させることによ
り、その値を設定するもの（または「＋」ボタンと
「−」ボタン）と、直接、表示されている数値の位置を
操作者がマウスでクリックし、数字キーで入力するもの
の、２通りの入力方法がある。

【００１８】図３は、その設定入力の処理を示したもの
であり、Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０は各々の設定画
面のスライダが操作されたかを判定するステップであ
り、Ｓ１４０は操作者が数値キーを用いて数値入力をし
た後に、反映のボタン（ 図７では「Ａｐｐｌｙ」ボタ
ン）が押されたかを判定するステップである。各々の設
定画面のスライダが操作された場合には、各々の該当す
る設定処理が起動される。また、Ｓ１４０の「Ａｐｐｌ
ｙ」ボタンが押された場合には、３つの設定処理（吸着
子発生源の設定処理、温度制御粒子の設定処理、固定粒
子の設定処理）が起動される。Ｓ３００は設定終了ボタ
ン（ 図７では「ＯＫ」ボタン）が押されたかを判定す
るステップである。設定終了ボタンが押されると、設定
内容をファイル（図１の運動条件記憶部７、図１５の運
動条件設定ファイル７）に記憶する。

【００１９】図５、図６はそれぞれの吸着子発生源の設
定処理、温度制御粒子の設定処理、固定粒子の設定処理
のフローを示したものである。

【００２０】まず、図４の吸着子発生源の設定処理につ
いて説明する。操作者は吸着子の発生源を領域として指
定する。これは、各吸着子毎にその発生源の位置を設定
する代わりに、複数の吸着子について一度に設定できる
ようにしたものである。各吸着子の実際の発生源につい
ては、後で詳述するが、乱数を用いて、指定された領域
内の点が決定される。吸着子の発生領域は、Ｘ座標とし
ての範囲と、Ｙ座標としての範囲およびＺ座標値として
操作者に指定させる。グラフィック表示画面７５０の左
下の位置が座標の原点である。スライダが操作された時
はそのスライダの位置に基づいて、設定すべき数値を算
出する（Ｓ２１１）。また、「＋」ボタン、「−」ボタ
ンが押された時は、その押された回数及び時間に基づい
て、数値を増減する（Ｓ２１２）。新たに算出したＸ座
標の範囲、Ｙ座標の範囲、Ｚ座標値に基づいて、図７の
グラフィック表示画面の７５１の図を再表示する。

【００２１】基盤粒子の設定については、図５と 図６
を用いて説明する。前述したように基盤粒子は、位置を
移動しない固定粒子と、温度が一定の温度制御粒子と、
位置の移動の制限も温度の変化の制限もない自由粒子と
がある。本粒子シミュレーションシステムでは、固定粒
子の領域の設定については、温度制御粒子と自由粒子と
を合わせた領域を操作者に設定させ、それ以外の部分を
固定粒子として設定している。また、温度制御粒子につ
いては、先に設定した温度制御粒子と自由粒子とを合わ
せた領域のうち、温度制御粒子と自由粒子の境界を操作
者に指定させて、各々の粒子の設定を行っている。

【００２２】前述したように、 図６は固定粒子の設定
処理フローであるが、操作者が指定する領域は、温度制
御粒子と自由粒子とを合わせた領域であり、設定手段１
０が、基盤粒子全体の領域から指定された領域を除いた
領域を固定粒子の領域とし、固定粒子に該当する各粒子
の座標値を算出する。固定粒子の設定処理フローを順次
説明すると、まず、操作者に固定粒子を設定するための
直方体または平行六面体（固定粒子および温度制御粒子
を含む領域）の頂点である座標を、 図７の設定画面の
７３０の内のスライダおよび数値により、Ｘ座標の範囲
およびＹ座標の範囲およびＺ座標の下限値を入力させる
（Ｓ２３１）。（図では、直方体であるが、基盤粒子が
結晶である場合には、結晶独自の座標系が結晶構造ＤＢ
５２に格納されており、その座標系を使用した場合に
は、座標軸が直交しないために平行六面体となる。）す
ると、本システムの初期運動状態図表示手段１２が、固
定粒子を設定するための領域（温度制御粒子と自由粒子
を合わせた領域）を直方体または平行六面体として表示
する（Ｓ２３２）。同時に固定粒子に対応する粒子をそ
の属性（固定粒子）に対応する態様（色等）で表示す
る。操作者が設定したこの内容に基づいて、固定粒子の
各粒子の座標を算出し、当該座標値に対応する粒子の属
性を固定粒子に設定する（Ｓ２３３）。この設定内容
は、本粒子シミュレーションに用いる粒子の属性を管理
するファイル（またはテーブル）に格納される。このフ
ァイルは、図１５の運動条件設定ファイル７である。運
動条件設定ファイル７には、基盤粒子以外に吸着粒子の
設定情報も格納している。

【００２３】基盤粒子に関する情報は８６、８７、８８
のカラムが該当する。８６は基盤を構成する原子の数で
あり、この例では５００個である。８７は基盤を構成す
る各原子の座標値が格納されている。この例では原子が
５００個あるため、５００個の座標値を格納している。
８８は、８７の座標値で特定される各原子の属性を格納
しており、各原子がどのような運動属性を持っているか
を格納している。「０」は自由運動をする原子、「１」
は他の原子の影響によって温度が変化しない原子（温度
一定の原子）、「２」は他の原子の影響によって動作し
ない（静止している）原子を示している。

【００２４】図５は、温度制御粒子設定の処理フローで
ある。 図７の７２０の設定画面は、操作者に、上記の
固定粒子設定処理で指定した領域すなわち温度制御粒子
と自由粒子の境界を指定させるものである。操作者によ
り、 図７の７２０の設定画面を通して、スライダまた
は数値入力により温度制御粒子と自由粒子の境界のＺ座
標値が指定されると、上記の固定粒子設定処理で指定し
た領域すなわち温度制御粒子と自由粒子を合わせた領域
の下限のＺ座標値より、今回指定されたＺ座標値までの
範囲が、温度制御粒子となる。そして、図７の７５０の
表示画面に表示されている基盤粒子全体の底面の４つ頂
点とＺ座標により、温度制御粒子とその上側との境の面
を構成する４つの座標を算出する（Ｓ２２１）。算出し
た４つの座標に基づいて、温度制御粒子の境の面の表示
を行う（Ｓ２２２）。同時に温度制御粒子に対応する粒
子、および、自由粒子に対応する粒子を、それぞれの属
性に対応する態様（色等で他の属性を識別可能な態様）
で表示する。そして、固定粒子の場合と同様に、温度制
御粒子の領域の粒子については、温度制御粒子であるこ
との属性を、自由粒子の領域の粒子については、自由粒
子であることの属性を、図７の運動条件設定ファイル７
に格納する。（Ｓ２２３）。

【００２５】すなわち、Ｓ２２３では、操作者が画面上
で指定した範囲の粒子について、操作者が指定した座標
範囲に含まれる粒子を求め、 図１５の運動条件設定フ
ァイル７の対応する粒子の属性値を「１」（温度制御）
に設定する。また、 図７の７６０の設定画面は、７５
０の表示画面に表示されるグラフィックの図形を視点方
向を指定するものであり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りに何
度回転させて表示するかを指定させるものである。

【００２６】図８は、吸着粒子の発生スケジュールの設
定画面である。８００の設定画面では吸着粒子の種類を
リストしており、現画面では１番の「ｎ−ｐｅｎｔａｎ
ｅ」が選択されている。８１０の領域は、シミュレーシ
ョンを行う総ステップ数を表示するところであり、８２
０はシミュレーションを行う総時間を何ピコ秒とするか
を表示するところであり、これらの値は別の画面を設定
されるものであり、吸着子の種類のより変化しないもの
である。また、８３０は、吸着子毎に設定するものであ
り、発生の間隔を均等（Ｅｑｕａｌ）にするか、ランダ
ム（Ｒａｎｄｏｍ）にするかを指定するところである。
８４０および８５０では、各指定されたステップ数（８
４ ０）までの間に何個（８５０）を発生させるかを指
定するところである。この例では、１〜５０００ステッ
プの間に５個の粒子を発生させ、５００１から１０００
１までの間に発生させる粒子数は０個であることを示し
ている。ここで設定した内容は、図１５の運動条件設定
ファイル７に格納される。運動条件設定ファイル７の７
１から８３までのカラムは吸着子（吸着粒子と同じ）の
種類毎にデータを格納しており、前記の設定の内容のう
ち、８３０は発生の間隔を均等（Ｅｑｕａｌ）にする
か、ランダム（Ｒａｎｄｏｍ）にするかの指定は、７７
のカラムにそれぞれの粒子について格納される。８４０
および８５０で設定した指定されたステップ数（８４
０）までの間に何個（８５０）を発生させるかの情報
は、７９および８０のカラムに格納される。

【００２７】図９は、吸着子の物理状態設定画面であ
る。７６０は吸着子の種類をリストしたものであり、７
７０、７９０は７６０のリスト中より選択された吸着子
毎にその発生時の物理状態を設定するものである。７７
０では初期の温度を設定するものである。初期の温度と
速度との間には、 １／２＊Ｍ＊Ｖ＾２＝３／２＊Ｋｂ＊Ｔ （Ｍ：質量、Ｖ：速度、Ｋｂ：ボルツマン定数、Ｔ：温
度）という関係があり、この設定された温度より、吸着
子の発生速度を算出する。

【００２８】７９０の「Ａｌｌ」「Ｎｏｎｅ」は、個々
の吸着子が発生する際に、吸着子を構成する個々の原子
に速度を与えるかまたは否かを選択指定させるものであ
り、「Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．．」は、個々の吸着子
が発生する際の吸着子の向きを指定する否かを選択指定
させるものであり、選択した場合には、吸着子の向きの
設定する画面、 図１０が表示される。また、「Ｄｉｒ
ｅｃｔｉｏｎ．．」は個々の吸着子が発生する際の吸着
子の発生方向（吸着子の重心の速度方向）を指定するか
否かを選択指定させるものであり、選択した場合には、
吸着子の発生方向を設定する画面が 図１１が表示され
る。

【００２９】「Ａｌｌ」と「Ｎｏｎｅ」の設定で、「Ａ
ｌｌ」を設定した場合には、 図１５の運動条件設定フ
ァイル７の７４カラムに、静止しないを意味する「０」
が格納され、「Ｎｏｎｅ」を設定した場合には、静止す
るを意味する「１」が格納される。「Ｏｒｉｅｎｔａｔ
ｉｏｎ．．」を選択した場合には、図１０の吸着子の方
向（向き）の設定画面が表示され、操作者は、８７０の
表示画面に表示されている吸着子の分子構造を見なが
ら、その向きを設定する。設定は、８８０の設定画面
で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りに何度回転させるかを指定
することで行う。ここで設定した値も、運動条件設定フ
ァイル７に格納される。（図１５には図示せず）但し、
上記の「Ａｌｌ」、「Ｎｏｎｅ」の選択で、ここの原子
に速度を与えるという「Ａｌｌ」の選択をした場合に
は、「Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ」の指定はできない。
「Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．．」を選択しない場合に
は、分子ＤＢ５１等に格納されている向きが計算に使用
される。

【００３０】「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．．」を選択した場
合には、 図１１の設定画面が表示され、この画面に
は、一つの方向だけを指定する「Ｆｉｘ」という選択項
目と、方向を範囲で指定し、その範囲内でランダムに発
生することを指定する「Ｒａｎｄｏｍ」の選択項目があ
る。「Ｆｉｘ」が指定された場合には、その方向を指定
させ、その結果を図７の７５０の表示画面の７５２のよ
うに方向を表示する。（但し、 図７の７５２の表示
は、「Ｒａｎｄｏｍ」を指定した場合のものである。）
「Ｒａｎｄｏｍ」が指定された場合には、 図１２のの
設定画面が表示される。 図１２の９００の表示画面に
表示されている円錐の広がりの範囲内で、吸着子が発生
することを示している。 図１２の９１０の設定画面で
は、円錐の形状（広がり）、向きを指定するものであ
る。広がりはψで設定し、向きについては、円錐の軸の
傾きをＺ軸とのなす角度θおよび、Ｘ軸とのなす角度を
φで設定する。この設定内容に基づいて、 図１２の表
示画面９００を表示する。表示画面９００の画面の下部
は基盤粒子が存在するところである。また、この設定の
後で、 図７の設定画面を表示すると、図１２で設定し
た吸着子が発生する可能性のある方向ψ（広がり）に基
づいて、７５２の図の表示を行う。

【００３１】そして、ここで設定されたθ、φ、ψを、
運動条件設定ファイル７のそれぞれ８１、８２、８３の
カラムに格納する。図１３は分子運動計算の処理フロー
であるが、 図２の設定から実行までの処理フローのう
ち、Ｓ４００以降に該当するものである。まず、分子運
動計算処理に必要な運動条件設定ファイル７を読み込む
（Ｓ４０１）。次に、読み込んだ運動条件設定ファイル
７の、吸着子の発生期間および量に関する情報から、吸
着子発生ステップおよび吸着子識別番号を格納したテー
ブルを作成する。作成するテーブルの構成は、図１６の
とおりである。例えば、図１５の「３」の識別子を持つ
吸着子について説明する。７２のカラムには吸着子の識
別番号が格納されている。識別子「３」は、７２のカラ
ムの一番右端に格納されており、識別子「３」の吸着子
に関する情報はすべてのカラムについて一番右端に格納
されていることを示している。吸着子の発生期間の情報
は７９のカラムに格納されており、吸着子の発生量は８
０のカラムに格納されている。これらのデータは、１〜
１０００ステップまでの間に１個の吸着子が発生し、１
０００〜２０００ステップまでの間に２個の吸着子が発
生し、２０００ステップからは吸着子が発生しないこと
を示している。また、７７のカラムにはどのように発生
するかの情報が格納されており、識別子「３」の吸着子
は不等間隔で発生することが設定されている。

【００３２】等間隔で発生する場合には、例えば、１０
００〜２０００ステップまでの１０００ステップの間を
発生個数２で割ることで、吸着子１個の発生間隔を求め
る（この場合は、５００ステップ間隔となる）。また、
不等間隔の場合には、乱数を発生させ、発生した乱数を
１０００から２０００ステップまでの間隔１０００ステ
ップで割った余りを１０００に加えることで粒子を発生
すべきステップを求める。この計算を発生粒子数分行
う。図１６は、このようにして求めた結果の発生時期
（ステップ番号）が格納されている。図１６は１２２２
ステップと１６０６ステップに識別子「３」の吸着子を
発生することを示している。

【００３３】図１３の分子運動計算処理フローのＳ４１
０以降は実際のシミュレーションの時間（ステップ数の
カウント）がスタートした後のものである。まず、 図
１６の吸着子発生テーブルを参照して、現在の時間が吸
着子発生ステップとして定義されているかを判定する。
該当するものがあれば、吸着子を発生させる。そして、
発生した吸着子および先に生成した基盤粒子の各粒子間
に働く力を計算する（Ｓ５０１）。各粒子間で働く力よ
り、運動方程式の数値積分を用いて、各粒子の現在の座
標および速度を算出する（Ｓ５０２）。そして、求めた
結果を時系列データ（時系列に並べてあるデータ）とし
て、時系列記憶部４に格納する。そして、次のステップ
が最終ステップかを判定し、そうでなければ、Ｓ４１０
からの処理を繰り返す（Ｓ５２０）。

【００３４】図１４は、吸着粒子発生処理フローであ
り、 図１３のＳ４２０の処理を詳細に示したものであ
る。まず、乱数を用いて粒子の発生源位置を算出する。
運動条件設定ファイル７の８４、８５カラムには、吸着
子が発生する箇所が領域として定義されている。位置の
算出は、領域内の座標値を乱数を２度発生することが算
出する。すなわち、乱数を発生させ、Ｘ方向の領域の長
さで割った時の余りをＸ方向の位置とし、続いてもう一
度乱数を発生され、Ｙ方向の領域の長さで割った時の余
りをＹ方向の位置とする。

【００３５】次に、粒子を構成する原子を粒子の重心に
対して静止させるか否かを判定する（Ｓ４２２）。これ
は、まず、吸着子発生テーブルを参照して、発生すべき
吸着子の識別子を求め、この吸着子の識別子をキーにし
て、運動条件設定ファイル７の７４のカラムを参照す
る。７４のカラムに「１」が格納されていれば、個々の
原子に速度を与える必要がないので、次のステップＳ４
２５を行う。７４のカラムに「０」が格納されていれ
ば、個々の原子に速度を与えるための処理を行う。

【００３６】個々の原子に速度を与えるための処理の前
にまず、粒子の向きを決定する。これは、粒子の向き
（θ、φ、ψ）で乱数を発生させてランダムな向きにな
るように決定する（Ｓ４２３）。次に、粒子を構成する
原子に初速度を設定する（Ｓ４２４）。粒子を構成する
原子に初速度を与えるが、粒子全体としては重心がまず
静止している状態を考え、以下の条件に基づいて各原子
の仮の初速度を算出する。 −原子の運動量の総和がゼロであること（ΣＭｉ＊Ｖｉ
＝０） −温度と速度の関係式 （Σ１／２＊Ｍｉ＊Ｖｉ＾２＝（３Ｎ−３）／２＊Ｋｂ
＊Ｔ （Ｍｉ：原子の質量、Ｖｉ：原子の速度、Ｎ：粒子を構
成する原子数 Ｋｂ：ボルツマン定数、Ｔ：粒子の初期温度） （上記の（３Ｎ−３）は粒子の並進の自由度３を引いた
ものである。） まず、温度と速度の関係式より、原子数Ｎ個の内の、Ｎ
／２個の各原子の初速度のｘ、ｙ、ｚ成分をθ、φを所
定範囲（０＜＝θ＜＝２π、０＜＝φ＜＝π）で一様乱
数を発生させて、以下の式により算出する。（但し、原
子数Ｎが偶数で無い場合には、（Ｎ−１）／２について
行い、一つの原子は例えば速度ゼロとする） Ｖｉｘ＝（（３Ｎ−３）／Σ（１／Ｍｉ）＊Ｋｂ＊Ｔ）＾（１／２） ＊１／Ｍｉ＊ｓｉｎθ＊ｃｏｓφ ＝α＊ｓｉｎθ＊ｃｏｓφ Ｖｉｙ＝α＊１／Ｍｉ＊ｓｉｎθ＊ｃｏｓφ Ｖｉｚ＝α＊１／Ｍｉ＊ｃｏｓθ 次に、原子の運動量の総和がゼロであることより、先に
求めた１つの原子の運動量との和がゼロになるような１
つの原子の速度を以下の式より算出する。（この計算を
Ｎ／２個分行う） Ｖｊｘ＝−Ｍｉ／Ｍｊ＊Ｖｉｘ Ｖｊｙ＝−Ｍｉ／Ｍｊ＊Ｖｉｙ Ｖｊｚ＝−Ｍｉ／Ｍｊ＊Ｖｉｚ Ｓ４２５では、乱数を求めて、粒子の重心速度の方向
を、その方向とＺ軸のなす角が、０〜ψ度の範囲で設定
する。そして、この求めた粒子の重心速度の方向を、Ｚ
軸を回転軸としてφ度回転し（Ｓ４２６）、さらに、上
記回転操作で得られた座標系Ｏ−Ｘ'Ｙ'Ｚ'のＸ'軸を回
転軸としてθ度回転する（Ｓ４２７）。求めた速度方向
と粒子の重心速度に基づいて、粒子を構成する各原子の
仮の初速度に加算する（Ｓ４２８）。

【００３７】なお、重心速度は、上記でも説明したよう
に、 １／２＊Ｍ＊Ｖ＾２＝３／２＊Ｋｂ＊Ｔ （Ｍ：質量、Ｖ：速度、Ｋｂ：ボルツマン定数、Ｔ：温
度）という関係式と、運動条件設定ファイル７に格納さ
れている温度情報より算出する。質量Ｍについては、吸
着子を選択した、分子構造ＤＢ５１、結晶構造ＤＢ５
２、分子性結晶ＤＢ５３のいずれかに格納されている情
報を用いる。

【００３８】

【発明の効果】本発明により、同じような操作で、吸
着、結晶成長、表面損傷など様々な現象を扱えるように
なる。さらに、個々のシミュレーション対象における、
設定または変更したパラメタ値の変更の大きさ（影響
度）が操作者に理解しやすくなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】システム構成図

【図２】設定から実行までの処理フロー

【図３】吸着子発生源設定および基盤粒子属性設定処理
フロー

【図４】吸着子発生源の位置及び領域指定の処理フロー

【図５】温度制御粒子設定の処理フロー

【図６】固定粒子設定の処理フロー

【図７】吸着子、基盤粒子設定画面

【図８】吸着子発生スケジュール設定画面

【図９】吸着子物理状態設定画面

【図１０】吸着子の方向設定画面

【図１１】吸着子射出方向設定画面（その１）

【図１２】吸着子射出方向設定画面（その２）

【図１３】分子運動計算処理フロー

【図１４】吸着子発生処理フロー

【図１５】運動条件設定ファイル

【図１６】吸着子発生テーブル

【符号の説明】

１ 処理装置 ２ 表示装置 ４ 時系列記憶部 ７ 運動条件記憶部 １０ 設定手段 １１ 運動条件設定手段 １２ 初期運動状態図表示手段 ２０ 粒子運動計算手段 ２１ 粒子発生手段 ２２ 分子動力学計算手段 ３１ シミュレーション表示手段 ５１ 分子構造ＤＢ ５２ 結晶構造ＤＢ ５３ 分子性結晶ＤＢ ６０ ポテンシャルライブラリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 広海 青森県青森市大字野木字山口245番９（番 地なし） 株式会社富士通青森システムエ ンジニアリング内 (72)発明者 石戸橋 眞 青森県青森市大字野木字山口245番９（番 地なし） 株式会社富士通青森システムエ ンジニアリング内 Ｆターム(参考） 5B056 AA08 BB03 DD00 HH00

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも吸着子からなる第１の粒子群
   と基盤粒子からなる第２の粒子群とから構成される粒子
   の運動の計算処理を行い、当該粒子における現象をシミ
   ュレートする粒子シミュレーションシステムにおいて、 前記第１の粒子群の粒子の発生条件として、複数個の発
   生期間と粒子の量に関する情報と、発生位置を四角形の
   領域として画面上で操作者に指定させて運動条件記憶部
   に記録する運動条件設定手段と、 前記運動条件設定手段で記録された第１の粒子群中の粒
   子の発生期間と粒子の量と、発生位置に関する情報に基
   づいて、シミュレーション中の指定された期間に、前記
   設定された粒子の量を、記録された領域より発生させて
   粒子の運動の計算処理を行う分子運動計算手段とを備え
   たことを特徴とする粒子シミュレーションシステム。
2. 【請求項２】 前記運動条件設定手段は複数種類の粒子
   について設定を行うことを特徴とする請求項１記載の粒
   子シミュレーションシステム。
3. 【請求項３】 前記運動条件設定手段は、第１の粒子群
   中の粒子を構成する原子にランダムに初速度を与える
   か、粒子の重心の並進運動にのみ初速度を与えて、粒子
   を構成する原子に該重心に対して静止させるかを、画面
   上で操作者に指定させて設定を行うことを特徴とする請
   求項１記載の粒子シミュレーションシステム。
4. 【請求項４】 前記運動条件設定手段で、第１の粒子群
   中の粒子の重心の並進運動にのみ初速度を与えて粒子を
   構成する原子に該重心に対して静止させる選択がされた
   場合に、当該粒子の向きを、画面上での指定により設定
   を行うことを特徴とする請求項３記載の粒子シミュレー
   ションシステム。
5. 【請求項５】 前記運動条件設定手段で記録した条件に
   基づいて、粒子の運動の初期状態を示す図を画面に表示
   する初期運動状態図表示手段とを備えたことを特徴とす
   る請求項１記載の粒子シミュレーションシステム。
6. 【請求項６】 前記運動条件設定手段の表示と、初期運
   動状態図表示手段の表示が同一画面上であることを特徴
   とする請求項５記載の粒子シミュレーションシステム。
7. 【請求項７】 前記運動条件設定手段は、前記第２の粒
   子群に向かって運動する第１の粒子群の初期の位置を領
   域として設定し、前記初期運動状態図表示手段は、設定
   された第１の粒子群が位置する領域と第２の粒子群が位
   置する領域との関連を示す図を表示することを特徴とす
   る請求項５記載の粒子シミュレーションシステム。
8. 【請求項８】 前記運動条件設定手段は、前記第２の粒
   子群に向かって運動する第１の粒子群の粒子に初速度を
   与える方向を設定し、前記初期運動状態図表示手段は、
   前記運動条件設定手段で設定した運動方向に基づいて、
   第１の粒子群が位置する領域と第２の粒子群が位置する
   領域と第１の粒子群の運動方向との関連を示す図を表示
   することを特徴とする請求項５記載の粒子シミュレーシ
   ョンシステム。
9. 【請求項９】 前記運動条件設定手段は、前記第２の粒
   子群について、操作者の範囲指定に基づいて、複数個の
   属性を設定し、 前記初期運動状態図表示手段は、設定された複数個の属
   性を識別可能な態様の図を表示することを特徴とする請
   求項５記載の粒子シミュレーションシステム。
10. 【請求項１０】 コンピュータを動作させて、 吸着子からなる第１の粒子群と基盤粒子からなる第２の
    粒子群とから構成される粒子の運動をシミュレーション
    するために、前記第１の粒子群の粒子の発生条件とし
    て、複数個の発生期間と粒子の量に関する情報と、発生
    位置を領域として画面上で操作者に選択させて運動条件
    記憶部に記録する運動条件設定手段と、 前記運動条件設定手段で記録された第１の粒子群中の粒
    子の発生期間および粒子の量に関する情報と、記録され
    た領域に基づいて、シミュレーション中の指定された期
    間に、前記設定された粒子の量を記録された領域より発
    生させて粒子の運動の計算処理を行わせる分子運動計算
    手段とを機能させるためのプログラムを格納した記憶媒
    体。