JP7443712B2 - How to search for diffusion routes - Google Patents

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Description

本発明は、拡散経路の探索方法に関する。 The present invention relates to a diffusion route search method.

各種材料について更なる性能向上を目的として、新規材料の探索や、物質を構成する元素の一部を置換する置換元素の選択・探索等が盛んに行われている。 With the aim of further improving the performance of various materials, the search for new materials and the selection and search for substitution elements that replace some of the elements constituting substances are actively being carried out.

例えば特許文献1にはリチウム複合酸化物の置換元素の選択方法として、候補元素によりリチウム複合酸化物LiMO(Mはニッケルを含む)のニッケルを置換した際に、候補元素がニッケルサイトに収容されるかを判定する固溶可否判定工程と、
候補元素によりリチウム複合酸化物のニッケルを置換した際の結晶表面における水分子の吸着エネルギーEaが、候補元素で置換する前のリチウム複合酸化物の結晶表面における水分子の吸着エネルギーEbよりも小さいかを判定する吸着エネルギー判定工程と、
固溶可否判定工程で、候補元素がニッケルサイトに収容されると判定され、かつ吸着エネルギー判定工程で、Ea<Ebと判定された場合に、候補元素をリチウム複合酸化物のニッケルを置換する置換元素として選択する選択工程と、を有するリチウム複合酸化物の置換元素の選択方法が開示されている。
For example, in Patent Document 1, as a method for selecting a substitution element for a lithium composite oxide, when nickel in a lithium composite oxide LiMO 2 (M includes nickel) is replaced with a candidate element, the candidate element is accommodated in the nickel site. a solid solubility determination step for determining whether the
Is the adsorption energy Ea of water molecules on the crystal surface when nickel in the lithium composite oxide is replaced with the candidate element smaller than the adsorption energy Eb of water molecules on the crystal surface of the lithium composite oxide before replacement with the candidate element? an adsorption energy determination step for determining the
Substitution in which the candidate element is substituted for nickel in the lithium composite oxide when it is determined in the solid solubility determination step that the candidate element is accommodated in the nickel site, and in the adsorption energy determination step it is determined that Ea<Eb. Disclosed is a method for selecting a substitution element for a lithium composite oxide, which includes a selection step of selecting an element.

特開2018-140917号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-140917

上述のように新規材料や、置換元素等の選択・探索を行う上で、目的とする物質の結晶内において、目的とする反応、機能等に影響を与える原子がどのような経路を通って移動、拡散するかを正確に把握することが好ましい。 As mentioned above, when selecting and searching for new materials and substitution elements, it is important to consider the routes through which atoms that affect the desired reaction, function, etc. move within the crystal of the desired substance. , it is preferable to accurately understand how the particles will spread.

しかしながら、結晶内は元素が密に詰まっていることが多く、結晶を構成する原子間には僅かな隙間しかないように見える。このため、拡散経路を調べたい原子である拡散原子について、原子半径やvan der Waals半径で原子の大きさを見積もると、結晶内の複数の隙間の大きさを比較して、拡散原子の拡散経路を特定することは困難であった。 However, the elements inside the crystal are often tightly packed, and there appear to be only small gaps between the atoms that make up the crystal. For this reason, when we estimate the size of a diffused atom, which is the atom whose diffusion path we want to investigate, using the atomic radius or van der Waals radius, we can compare the sizes of multiple gaps in the crystal and determine the diffusion path of the diffused atom. It was difficult to identify.

また、拡散原子と周囲の原子との静電相互作用のため、拡散原子が結晶内の広い空間を通るとは限らない。このため、上述のように拡散原子の原子半径等と、結晶内の隙間の大きさとから、拡散原子の拡散経路を特定することは困難であった。 Furthermore, due to electrostatic interactions between the diffusing atoms and surrounding atoms, the diffusing atoms do not necessarily pass through a wide space within the crystal. Therefore, as described above, it has been difficult to specify the diffusion path of the diffusing atoms based on the atomic radius of the diffusing atoms and the size of the gaps within the crystal.

そこで上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の一側面では、結晶内における原子の拡散経路を効率的に探索することができる拡散経路の探索方法を提供することを目的とする。 In view of the problems of the above-mentioned conventional techniques, one aspect of the present invention aims to provide a method for searching for diffusion paths that can efficiently search for diffusion paths of atoms within a crystal.

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、拡散原子以外の複数の原子を配置した初期構造を設定する初期構造設定工程と、
前記初期構造に3次元の格子を設定し、前記格子の格子点に拡散原子を配置した構造について、分子動力学計算を実施する計算工程と、
前記拡散原子を配置する前記格子点を変更し、分子動力学計算を実施する繰り返し工程と、
前記計算工程、および前記繰り返し工程の計算結果に基づいて、前記拡散原子の前記結晶内における複数の位置での存在確率を求め、前記存在確率から前記拡散原子の複数の前記位置における自由エネルギーをそれぞれ算出する自由エネルギー算出工程と、
前記自由エネルギー算出工程で求めた前記拡散原子の複数の前記位置における自由エネルギーから、前記拡散原子の拡散経路を探索する拡散経路探索工程と、を有する拡散経路の探索方法を提供する。
According to one aspect of the present invention to solve the above problems,
an initial structure setting step of setting an initial structure in which a plurality of atoms other than diffusion atoms are arranged in a crystal used for diffusion route search;
a calculation step of setting a three-dimensional lattice in the initial structure and performing molecular dynamics calculations on the structure in which diffused atoms are arranged at lattice points of the lattice;
a repeated step of changing the lattice points at which the diffused atoms are placed and performing molecular dynamics calculations;
Based on the calculation results of the calculation step and the repetition step, the existence probability of the diffused atom at a plurality of positions in the crystal is determined, and the free energy of the diffused atom at the plurality of positions is determined from the existence probability. a free energy calculation step;
The present invention provides a method for searching for a diffusion path, comprising: a diffusion path searching step of searching for a diffusion path of the diffusing atom based on the free energy at the plurality of positions of the diffusing atom obtained in the free energy calculating step.

本発明の一態様によれば、結晶内における原子の拡散経路を効率的に探索することができる拡散経路の探索方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a method for searching for diffusion paths that can efficiently search for diffusion paths of atoms within a crystal.

実施例1において拡散経路の探索を行ったLiMnの初期構造を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the initial structure of LiMn 2 O 4 in which the diffusion path was searched in Example 1. FIG. 実施例1において求めたLiMnのLi原子の拡散経路を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the diffusion path of Li atoms in LiMn 2 O 4 determined in Example 1. 比較例1において求めたLiMnのLi原子の拡散経路を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing the diffusion path of Li atoms in LiMn 2 O 4 determined in Comparative Example 1.

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and variations may be made to the following embodiments without departing from the scope of the present invention. Substitutions can be added.

本実施形態の拡散経路の探索方法は、以下の工程を有することができる。
拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、拡散原子以外の複数の原子を配置した初期構造を設定する初期構造設定工程。
初期構造に3次元の格子を設定し、格子の格子点に拡散原子を配置した構造について、分子動力学計算を実施する計算工程。
拡散原子を配置する格子点を変更し、分子動力学計算を実施する繰り返し工程。
計算工程、および繰り返し工程の計算結果に基づいて、拡散原子の結晶内における複数の位置での存在確率を求め、存在確率から拡散原子の複数の位置における自由エネルギーをそれぞれ算出する自由エネルギー算出工程。
自由エネルギー算出工程で求めた拡散原子の複数の位置における自由エネルギーから、拡散原子の拡散経路を探索する拡散経路探索工程。
The diffusion route search method of this embodiment can include the following steps.
An initial structure setting step for setting an initial structure in which multiple atoms other than diffusion atoms are arranged, which is included in the crystal used for diffusion route search.
A calculation process in which a three-dimensional lattice is set as the initial structure and a molecular dynamics calculation is performed on a structure in which diffused atoms are placed at the lattice points of the lattice.
An iterative process of changing the lattice points where diffused atoms are placed and performing molecular dynamics calculations.
A free energy calculation step of calculating the existence probability of the diffused atom at multiple positions in the crystal based on the calculation results of the calculation step and the repetition step, and calculating the free energy of the diffused atom at each of the multiple positions from the existence probability.
Diffusion path searching step for searching the diffusion path of the diffusing atoms from the free energies at multiple positions of the diffusing atoms obtained in the free energy calculation step.

本発明の発明者は、結晶内における原子の拡散経路の効率的な探索方法について鋭意検討を行った。 The inventor of the present invention has conducted extensive studies on an efficient method for searching for the diffusion path of atoms within a crystal.

原子や分子の動きやエネルギーを解析する方法として、分子動力学法が挙げられる。このため、結晶内における原子の拡散経路の探索方法として分子動力学計算を用いることも考えられる。しかしながら、拡散過程の時間スケールと分子動力学計算の時間スケールとは大きく乖離しており、拡散過程を分子動力学計算で計算するには非常に長い計算時間を要し、計算コストが非常に高くなる。また、分子動力学計算は初期条件に依存するため、少ない初期状態からの計算では、計算結果が拡散経路にたどり着くとは限らない。このため、分子動力学計算のみで結晶内における拡散原子の拡散経路を探索することは困難となる。 Molecular dynamics method is a method for analyzing the movement and energy of atoms and molecules. For this reason, it may be possible to use molecular dynamics calculations as a method of searching for the diffusion paths of atoms within the crystal. However, there is a large difference between the time scale of the diffusion process and the time scale of molecular dynamics calculations, and calculating the diffusion process using molecular dynamics calculations requires a very long calculation time and is extremely expensive. Become. Furthermore, since molecular dynamics calculations depend on initial conditions, calculations from a small number of initial conditions do not necessarily lead to the diffusion path. Therefore, it is difficult to search for diffusion paths of diffusing atoms within a crystal using only molecular dynamics calculations.

拡散経路を調べたい原子である拡散原子が、拡散経路内の座標位置にある場合、該座標位置における拡散原子の自由エネルギーは、該拡散原子が拡散経路外にある場合の拡散原子の自由エネルギーよりも小さくなる。このため、本発明の発明者は、拡散原子の自由エネルギーが小さくなる経路を探索することで、拡散原子の拡散経路を探索できることに着目した。 When a diffusing atom whose diffusion path is to be investigated is located at a coordinate position within the diffusion path, the free energy of the diffusing atom at that coordinate position is greater than the free energy of the diffusing atom when the diffusing atom is outside the diffusion path. will also become smaller. Therefore, the inventor of the present invention focused on the fact that the diffusion path of the diffusing atoms can be searched by searching for a path where the free energy of the diffusing atoms becomes small.

そこで、本発明の発明者は、拡散原子の自由エネルギーが小さくなる経路を効率的に探索する方法についてさらに検討を行った。拡散原子が特定の位置rに存在する確率ρ(r)と、その位置での自由エネルギーF(r)とは、以下の式(1)の関係を有している。 Therefore, the inventor of the present invention further investigated a method for efficiently searching for a path in which the free energy of the diffusing atoms becomes small. The probability ρ(r) that a diffused atom exists at a specific position r and the free energy F(r) at that position have a relationship expressed by the following equation (1).

F(r)=-kTln(ρ(r))+C ・・・(1)
なお、上記式(1)中のkはボルツマン定数、Tは温度(K)、Cは定数を表す。
F(r)=-k B Tln(ρ(r))+C...(1)
In addition, k B in the above formula (1) represents Boltzmann's constant, T represents temperature (K), and C represents a constant.

従って、拡散原子について、結晶内の各位置における存在確率が求められれば、結晶内の各位置における自由エネルギーが求められ、求めた自由エネルギーに基づいて拡散経路を探索できることになる。 Therefore, if the probability of existence of a diffusing atom at each position within the crystal is determined, the free energy at each position within the crystal can be determined, and the diffusion path can be searched based on the determined free energy.

そして、例えば短時間の分子動力学計算の結果を多数用いることで、結晶内における拡散原子の位置が変化したサンプルを多数収集できる。このため、係る分子動力学計算の結果を用いて結晶内の拡散原子の存在確率を算出できることから、分子動力学法を実行する際のコストを抑制し、効率的に拡散経路を導き出せることを見出し、本発明を完成させた。 For example, by using a large number of results of short-time molecular dynamics calculations, it is possible to collect a large number of samples in which the positions of diffused atoms within the crystal have changed. Therefore, it was discovered that the existence probability of diffusing atoms in a crystal can be calculated using the results of such molecular dynamics calculations, which reduces the cost of implementing the molecular dynamics method and allows efficient derivation of diffusion paths. , completed the present invention.

各工程について以下に説明する。
(初期構造設定工程)
初期構造設定工程では、拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、拡散原子以外の複数の原子を配置した初期構造を設定することができる。すなわち、拡散経路探索に用いる結晶に含まれる拡散原子以外の複数の原子の初期座標を設定することができる。
Each step will be explained below.
(Initial structure setting process)
In the initial structure setting step, it is possible to set an initial structure in which a plurality of atoms other than the diffusion atoms are arranged, which are included in the crystal used for the diffusion route search. That is, it is possible to set the initial coordinates of a plurality of atoms other than the diffusion atoms included in the crystal used for diffusion route search.

初期構造設定工程において、拡散経路探索に用いる結晶に含まれる拡散原子以外の複数の原子の位置を設定する具体的な方法は特に限定されない。例えば実験的に求めた、もしくは文献等に開示されている、該結晶の結晶構造に基いて各原子の原子配置を設定し、初期構造とすることができる。
(計算工程)
計算工程では、初期構造設定工程で位置を設定した、初期構造に3次元の格子を設定し、格子の格子点に拡散原子を配置した構造について分子動力学計算を実施できる。
In the initial structure setting step, there is no particular limitation on the specific method for setting the positions of a plurality of atoms other than the diffusion atoms included in the crystal used for the diffusion route search. For example, the atomic arrangement of each atom can be set based on the crystal structure of the crystal, which has been experimentally determined or disclosed in literature, etc., and can be used as an initial structure.
(calculation process)
In the calculation step, a three-dimensional lattice is set in the initial structure whose positions were set in the initial structure setting step, and molecular dynamics calculations can be performed on the structure in which diffused atoms are arranged at the lattice points of the lattice.

計算工程では、上述のように初期構造に拡散原子を配置した構造を作成できる。この際、計算工程や、後述する繰り返し工程の後に得られる構造に含まれる拡散原子の位置のバリエーションが多くなるように初期構造を作成することが好ましい。このため、分子動力学計算に供する拡散原子を含む系における拡散原子の位置がばらけるように、初期構造に、初期構造に対応した3次元の格子を仮想的に設定し、その格子点に拡散原子を配置することが好ましい。格子のサイズや、形状等は、上述のように拡散原子の位置がばらけるように選択できればよく、特に限定されない。 In the calculation process, a structure in which diffused atoms are arranged in the initial structure can be created as described above. At this time, it is preferable to create the initial structure so that there are many variations in the positions of the diffused atoms included in the structure obtained after the calculation step or the repeating step described below. For this reason, a three-dimensional lattice corresponding to the initial structure is virtually set up for the initial structure so that the positions of the diffusing atoms in the system containing the diffusing atoms used for molecular dynamics calculations are scattered, and the lattice points of the diffusing atoms are Preferably, the atoms are arranged. The size, shape, etc. of the lattice are not particularly limited as long as they can be selected so that the positions of the diffused atoms are dispersed as described above.

分子動力学計算は、原子の物理的な動きのコンピューターシミュレーション手法であり、ニュートンの運動方程式を数値的に解くことにより、原子の位置の時間発展を求めることができる。 Molecular dynamics calculation is a computer simulation method of the physical movement of atoms, and by numerically solving Newton's equation of motion, it is possible to determine the evolution of the position of atoms over time.

分子動力学計算では、原子と原子間相互作用の情報は、ポテンシャルエネルギーを記述するための関数形と、そのパラメータセット(力場)で表される。 In molecular dynamics calculations, information about atoms and interactions between atoms is represented by a functional form for describing potential energy and its parameter set (force field).

計算工程において分子動力学計算で用いる力場の種類は特に限定されるものではなく、各種力場を用いることができる。例えば金属/合金系ではEAMやMEAM等、無機化合物系ではBuckingham、BKS、Clay-FF、CVFF_aug等、半導体系ではTersoff等、有機化合物系ではPCFF、Compass、MMFF、OPLS-AA、AMBER、CHARMM、UFF等を用いることができる。また、分極力場であるX-Pol、AMBER分極力場、CHARMM分極力場等や、反応力場であるReaxFF等の既存の力場や、必要に応じて自作した力場から選択された力場を用いることができる。 The type of force field used in the molecular dynamics calculation in the calculation process is not particularly limited, and various force fields can be used. For example, metal/alloy systems include EAM and MEAM, inorganic compound systems include Buckingham, BKS, Clay-FF, CVFF_aug, etc., semiconductor systems include Tersoff, and organic compound systems include PCFF, Compass, MMFF, OPLS-AA, AMBER, CHARMM, etc. UFF etc. can be used. In addition, forces selected from existing force fields such as polarization force fields such as X-Pol, AMBER polarization force field, and CHARMM polarization force field, and reaction force fields such as ReaxFF, as well as force fields created by yourself as necessary. You can use the field.

既存の力場では対象となる原子の電荷が規定されていない場合がある。その場合、RESP(Restrained ElectroStatic Potential)電荷やAM1-BCC(Bond Charge Correction)電荷等を用いることもできる。 Existing force fields may not specify the charge of the target atom. In that case, RESP (Restrained ElectroStatic Potential) charges, AM1-BCC (Bond Charge Correction) charges, etc. can also be used.

分子動力学計算に用いるプログラム(ソフトウエア)についても特に限定されないが、例えば、LAMMPSやDL_POLY、Gromacs(Groningen Machine for Chemical Simulations)、AMBER、CHARMM、NAMD等の既存のプログラムや自作のプログラムから選択されたプログラムを用いることができる。 The program (software) used for molecular dynamics calculations is not particularly limited, but may be selected from existing programs such as LAMMPS, DL_POLY, Gromacs (Groningen Machine for Chemical Simulations), AMBER, CHARMM, NAMD, or self-made programs. A program can be used.

分子動力学計算を行う際の設定環境としては、例えば真空中や、溶媒が含まれる場合には周期境界条件下とすることができる。 The setting environment for performing molecular dynamics calculations can be, for example, vacuum or periodic boundary conditions if a solvent is included.

分子動力学計算を行う際のニュートンの運動方程式を解くための数値積分法についても特に限定されないが、例えばベルレ法や、速度ベルレ法、Leap-frog法、予測子-修飾子法等から選択された方法を用いることができる。 The numerical integration method for solving Newton's equation of motion when performing molecular dynamics calculations is not particularly limited, but may be selected from, for example, the Berlet method, the velocity Berlet method, the Leap-frog method, the predictor-modifier method, etc. Other methods can be used.

分子動力学計算を行う時間幅は特に限定されるものではない。ただし、本実施形態の拡散経路の探索方法では、短時間の分子動力学計算を複数行い、結晶内における拡散原子の位置が変化したサンプルを複数収集することが好ましい。このため、長時間の分子動力学計算を実施する必要はなく、計算コストを抑制できるように時間幅を選択することが好ましい。分子動力学計算を行う時間幅としては、例えば0.5fs以上2fs以下とすることができる。 The time span for performing molecular dynamics calculations is not particularly limited. However, in the diffusion route search method of this embodiment, it is preferable to perform a plurality of short-time molecular dynamics calculations and collect a plurality of samples in which the positions of diffusing atoms within the crystal have changed. Therefore, it is not necessary to perform long-time molecular dynamics calculations, and it is preferable to select the time width so that calculation costs can be suppressed. The time width for performing the molecular dynamics calculation can be, for example, 0.5 fs or more and 2 fs or less.

また、温度の制御方法としても特に限定されないが、例えば、速度スケーリング法、Nose-Hoover熱浴法、Nose-Hoover chain法、Berendsen熱浴法、Andersen熱浴法、Langevin動力学法等から選択された方法を用いることができる。 Further, the temperature control method is not particularly limited, but may be selected from, for example, the rate scaling method, the Nose-Hoover hot bath method, the Nose-Hoover chain method, the Berendsen hot bath method, the Andersen hot bath method, the Langevin kinetic method, etc. Other methods can be used.

周期境界条件下における圧力の制御方法についても特に限定されないが、例えば、Berendsen法、Parinello-Rahman法等から選択された方法を用いることができる。 The method of controlling the pressure under periodic boundary conditions is not particularly limited either, but for example, a method selected from the Berendsen method, the Parinello-Rahman method, etc. can be used.

静電相互作用やvan der Waals相互作用といった長距離相互作用の計算にはカットオフ法を用いることができる。特に、周期境界条件下での静電相互作用の計算にParticle-Mesh Ewald法や多重極展開法等を用いることができる。 A cutoff method can be used to calculate long-range interactions such as electrostatic interactions and van der Waals interactions. In particular, the Particle-Mesh Ewald method, the multipole expansion method, etc. can be used to calculate electrostatic interactions under periodic boundary conditions.

計算工程における分子動力学計算は、例えば、CPU(Central Processing Unit)や、RAM(Random Access Memory)、ハードディスク等の各種記憶媒体、ディスプレイ等の出力装置、キーボード等の入力装置、各種周辺機器等を備えた通常のコンピューターシステムを用いて実施することができる。なお、コンピューターシステムとしては、例えばネットワークサーバ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等が挙げられる。 Molecular dynamics calculation in the calculation process uses, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), various storage media such as a hard disk, an output device such as a display, an input device such as a keyboard, various peripheral devices, etc. It can be carried out using a conventional computer system equipped with a computer system. Note that examples of the computer system include a network server, a workstation, a personal computer, and the like.

具体的には、例えば記憶媒体等に既述の分子動力学計算のプログラムを格納しておき、係るプログラムをCPUにより実行すると共に、RAM等の記憶媒体に格納された、またはキーボード等の入力装置から入力された初期構造や、条件を読み込むことにより実現することができる。 Specifically, for example, a program for the molecular dynamics calculation described above is stored in a storage medium, and the program is executed by a CPU, and an input device such as a keyboard or the like is stored in a storage medium such as a RAM. This can be achieved by reading the initial structure and conditions input from .

分子動力学計算を実施することで、拡散原子や、初期構造設定工程で設定した複数の原子の位置を経時的に変化させることができる。
(繰り返し工程)
繰り返し工程では、拡散原子を配置する格子点を変更し、分子動力学計算を実施できる。具体的には、計算工程で設定した、3次元の格子の格子点のうち、既に分子動力学計算を行った格子点とは異なる格子点に拡散原子を配置し、計算工程の場合と同様にして分子動力学計算を実施できる。繰り返し工程では、例えば設定した3次元の格子の全ての格子点にそれぞれ拡散原子を配置し、分子動力学計算を実施するまで繰り返し実施できる。また、例えば3次元の格子の格子点のうち、定めた格子点にそれぞれ拡散原子を配置し、分子動力学計算を実施するまで繰り返し実施することもできる。
(自由エネルギー算出工程)
自由エネルギー算出工程では、まず計算工程、および繰り返し工程の計算結果に基づいて、拡散原子の結晶内における複数の位置での存在確率を求めることができる。そして、存在確率から拡散原子の上記複数の位置における自由エネルギーをそれぞれ算出できる。
By performing molecular dynamics calculations, the positions of the diffused atoms and the multiple atoms set in the initial structure setting process can be changed over time.
(repetitive process)
In the iterative process, molecular dynamics calculations can be performed by changing the lattice points at which the diffusing atoms are placed. Specifically, among the lattice points of the three-dimensional lattice set in the calculation process, diffuse atoms are placed at lattice points that are different from the lattice points on which molecular dynamics calculations have already been performed, and the process is performed in the same way as in the calculation process. Molecular dynamics calculations can be performed using In the iterative process, for example, diffusing atoms can be placed at all lattice points of a set three-dimensional lattice, and the process can be repeated until molecular dynamics calculations are performed. Alternatively, for example, diffusion atoms may be placed at predetermined lattice points among the lattice points of a three-dimensional lattice, and the calculations may be repeated until the molecular dynamics calculation is performed.
(Free energy calculation process)
In the free energy calculation step, first, based on the calculation results of the calculation step and the repetition step, the existence probabilities of diffused atoms at a plurality of positions within the crystal can be determined. Then, the free energies of the diffused atoms at the plurality of positions can be calculated from the existence probabilities.

ここで、ある特定の温度で平衡状態にある系を考える。この系ではすべての構造空間が離散的な状態に分割できると仮定する。もし、離散時間でこの系の時間発展を観察したら、一連の系の発展は、系が訪れた状態間の遷移で表すことができる。観測された状態は、時間を離散化した確率過程の一つの状態とみなせる。この過程がマルコフ連鎖で記述される場合、ある時刻に各状態を観察する確率は直前の状態のみに依存する。L個の状態をもつ過程の場合、この過程は観察時間の間隔である単位時間τにのみ依存するL×Lの遷移行列T(τ)で特徴づけられる。 Now consider a system that is in equilibrium at a certain temperature. This system assumes that all structural spaces can be divided into discrete states. If we observe the time evolution of this system in discrete time, the series of evolution of the system can be represented by the transitions between the states visited by the system. The observed state can be regarded as one state of a stochastic process in which time is discretized. If this process is described by a Markov chain, the probability of observing each state at a certain time depends only on the previous state. For a process with L states, the process is characterized by an L×L transition matrix T(τ) that depends only on the unit time τ, which is the interval of observation times.

時刻tでL個の状態を占める確率ベクトルをp(t)で表す。もし、初期状態を表す確率ベクトルがp(0)で与えられたなら、時間nτ後の確率ベクトルは以下の式(2)で表される。 The probability vector occupying L states at time t is denoted by p(t). If the probability vector representing the initial state is given by p(0), the probability vector after time nτ is expressed by the following equation (2).

p(nτ)=T(nτ)p(0)=[T(τ)]p(0)・・・(2)
遷移行列T(τ)はμ(τ)の固有値とそれに対応する固有ベクトルμをもつ。それぞれの固有値は、implied time scaleと呼ばれる時間スケールτ=-τ/ln(μ(τ))をもち、関連する固有ベクトルはこの時間スケールに応じた状態遷移の情報を与える。
p(nτ) = T(nτ) p(0) = [T(τ)] n p(0)...(2)
The transition matrix T(τ) has an eigenvalue of μ k (τ) and a corresponding eigenvector μ k . Each eigenvalue has a time scale τ k =−τ/ln (μ k (τ)) called the implemented time scale, and the associated eigenvector provides information on state transitions according to this time scale.

この系がマルコフ過程として記述できるなら、遷移行列Tが得られたとき、時刻tでの状態p(t)と時刻(t+τ)での状態p(t+τ)との関係は、p(t+τ)=Tp(t)で表せる。 If this system can be described as a Markov process, then when the transition matrix T is obtained, the relationship between the state p(t) at time t and the state p(t+τ) at time (t+τ) is p(t+τ)= It can be expressed as Tp(t).

系が平衡状態に達した場合、上式はπ=Tπとなる。ここで、πは平衡状態での確率分布を表し、Σπ=1である。上式は、平衡状態の確率分布がTの固有値1の固有ベクトルに相当することを表している。 When the system reaches an equilibrium state, the above equation becomes π=Tπ. Here, π represents a probability distribution in an equilibrium state, and Σ i π i =1. The above equation indicates that the probability distribution in the equilibrium state corresponds to an eigenvector of T with an eigenvalue of 1.

平衡状態の自由エネルギーは、以下の式(3)に示すように、平衡状態の確率分布から得られる。 The free energy in the equilibrium state is obtained from the probability distribution in the equilibrium state, as shown in equation (3) below.

Figure 0007443712000001
なお、上記式中のFは状態iの自由エネルギーを、kはボルツマン定数を、Tは系の絶対温度を、πは状態iの確率をそれぞれ表している。
Figure 0007443712000001
In the above formula, F i represents the free energy of state i, k B represents the Boltzmann constant, T represents the absolute temperature of the system, and π i represents the probability of state i.

だたし、上式は最も確率分布が大きい値の自由エネルギーを0にしている。 However, in the above equation, the free energy of the value with the largest probability distribution is set to 0.

そこで、本実施形態の拡散経路の探索方法の自由エネルギー算出工程では、まず計算工程、および繰り返し工程で算出した拡散原子を含む系の構造を任意の時間間隔Δt毎に取出し、クラスタリングする。ただし、Δt≦τである。例えば、Δtは0.5ps以上5ps以下とすることができる。クラスタリングの具体的な手法は特に限定されないが、例えばK-Means法や、K-Centers法などを用いることができる。クラスタリングを行うことで、拡散原子を含む系の構造を複数の状態に分類できる。 Therefore, in the free energy calculation step of the diffusion route search method of this embodiment, first, the structure of the system containing the diffusing atoms calculated in the calculation step and the repetition step is extracted at every arbitrary time interval Δt and clustered. However, Δt≦τ. For example, Δt can be set to 0.5 ps or more and 5 ps or less. Although the specific clustering method is not particularly limited, for example, the K-Means method, the K-Centers method, etc. can be used. By performing clustering, the structure of a system containing diffused atoms can be classified into multiple states.

クラスタリングにより拡散原子を含む系の構造を分類することで、単位時間τを見積もることや分類した状態間の遷移を数えることができる。得られた遷移数から、既述の遷移行列T(τ)を、例えば最尤法を用いて推定できる。 By classifying the structure of a system containing diffused atoms by clustering, it is possible to estimate the unit time τ and count the transitions between the classified states. From the obtained number of transitions, the previously described transition matrix T(τ) can be estimated using, for example, the maximum likelihood method.

得られた遷移行列T(τ)から、遷移行列T(τ)の固有値と固有ベクトルとを求める。この際の固有ベクトルが分類した各状態の存在確率を表すことになる。すなわち、固有ベクトルを求めることで、拡散原子の結晶内における複数の位置での存在確率を求められることになる。そして、算出した固有ベクトル、すなわち存在確率を用いて、分類した各状態における拡散原子の位置に対する、自由エネルギーを既述の式(3)によりそれぞれ算出できる。
(拡散経路探索工程)
拡散経路探索工程では、自由エネルギー算出工程で求めた、各状態での拡散原子の位置と、それに対応する自由エネルギーとから、拡散原子の拡散経路を探索できる。すなわち、自由エネルギー算出工程で求めた拡散原子の複数の位置における自由エネルギーから、拡散原子の拡散経路を探索できる。
From the obtained transition matrix T(τ), the eigenvalues and eigenvectors of the transition matrix T(τ) are determined. The eigenvector at this time represents the existence probability of each classified state. That is, by determining the eigenvectors, the existence probabilities of the diffused atoms at multiple positions within the crystal can be determined. Then, using the calculated eigenvector, that is, the existence probability, the free energy for the position of the diffused atom in each classified state can be calculated using the above-mentioned equation (3).
(Diffusion route search process)
In the diffusion path searching step, the diffusion path of the diffusing atom can be searched from the position of the diffusing atom in each state and the corresponding free energy obtained in the free energy calculation step. That is, the diffusion path of the diffusing atoms can be searched from the free energies at multiple positions of the diffusing atoms obtained in the free energy calculation step.

拡散経路探索工程では、分類した各状態における拡散原子の座標と、各状態における自由エネルギー算出工程で算出した自由エネルギーとをマッピング、すなわち3次元プロットすることができる。得られたマップから、自由エネルギーが小さく、連続した領域を拡散原子の拡散経路として認定できる。 In the diffusion path searching step, the coordinates of the diffusing atoms in each classified state and the free energy calculated in the free energy calculation step in each state can be mapped, that is, three-dimensionally plotted. From the obtained map, a continuous region with small free energy can be identified as the diffusion route of the diffusing atoms.

なお、適当な拡散経路が見出せない場合には、計算工程や、繰り返し工程で使用した単位時間τの設定が適切ではない場合が考えられる。このため、適当な拡散経路が見出せない場合には、単位時間τを変え、既述の自由エネルギー算出工程、および拡散経路探索工程を再度実施することができる。 Note that if an appropriate diffusion path cannot be found, the setting of the unit time τ used in the calculation process or the repetition process may be inappropriate. Therefore, if an appropriate diffusion path cannot be found, the unit time τ can be changed and the free energy calculation step and the diffusion path searching step described above can be performed again.

以上に説明した本実施形態の拡散経路の探索方法によれば、結晶内全体に渡って拡散原子の位置を変化させた初期構造を用いている。このため、計算上、熱揺らぎでは到達しにくい空間領域へも拡散原子が到達できるため、空間の探索効率を高めることができ、見落すことなく拡散経路を探索できる。 According to the diffusion route search method of the present embodiment described above, an initial structure is used in which the positions of diffused atoms are changed throughout the crystal. For this reason, the diffused atoms can reach spatial regions that are difficult to reach by thermal fluctuations based on calculations, so it is possible to increase the spatial search efficiency and search for diffusion paths without overlooking them.

また、分子動力学計算を長時間実施する必要がないため、計算コストを抑制できる。 Furthermore, since it is not necessary to perform molecular dynamics calculations for a long time, calculation costs can be suppressed.

以下、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
以下の手順により、LiMnにおけるLi原子の拡散経路の探索を行った。
(初期構造設定工程)
LiMnの初期構造の設定を行った。具体的には、図1に示すようにセル内に、リチウム原子11と、マンガン原子12と、酸素原子13とが配置されたLiMnの構造10を設定した。そして拡散原子となる、セルの中央部に配置したリチウム原子111については削除し、初期構造とした。なお、図1中、同じハッチングの原子は同種類の原子であることを示している。
(計算工程)
初期構造設定工程で得られた初期構造に、格子間隔が0.5Åの格子、すなわち一辺の長さが0.5Åの立方体のセルを複数配置した3次元の格子を設定した。そして、係る格子の任意の1つの格子点に拡散原子であるリチウム原子を配置した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
The following procedure was used to search for the diffusion route of Li atoms in LiMn 2 O 4 .
(Initial structure setting process)
The initial structure of LiMn 2 O 4 was set. Specifically, as shown in FIG. 1, a structure 10 of LiMn 2 O 4 in which lithium atoms 11, manganese atoms 12, and oxygen atoms 13 were arranged was set in the cell. Then, the lithium atom 111 arranged in the center of the cell, which becomes a diffusion atom, was deleted to obtain an initial structure. In addition, in FIG. 1, atoms with the same hatching indicate atoms of the same type.
(calculation process)
A lattice with a lattice spacing of 0.5 Å, that is, a three-dimensional lattice in which a plurality of cubic cells each having a side length of 0.5 Å are arranged, was set in the initial structure obtained in the initial structure setting step. Then, a lithium atom, which is a diffusion atom, was arranged at any one lattice point of the lattice.

次に、拡散原子であるリチウム原子を配置した構造について、分子動力学計算を実施した。 Next, molecular dynamics calculations were performed on the structure in which lithium atoms, which are diffusion atoms, are arranged.

分子動力学計算は、ソフトウエアとしてLAMMPSを用い、力場は名古屋大学石沢らの開発した力場を用いて行った。そして、各原子の座標を入力し、結晶中の環境設定とした。 Molecular dynamics calculations were performed using LAMMPS as software and a force field developed by Ishizawa et al. of Nagoya University. Then, the coordinates of each atom were entered to set the environment in the crystal.

また、分子動力学計算を行う際の速度の計算方法として速度ベルレ法を用い、時間幅を1fsとした。温度の制御方法としてNose-Hoover chain法を用い、設定温度を300Kとした。 In addition, the velocity Berlet method was used as a velocity calculation method when performing molecular dynamics calculations, and the time width was set to 1 fs. The Nose-Hoover chain method was used as a temperature control method, and the set temperature was 300K.

長距離相互作用の計算はParticle-Mesh Ewald法を用いた。 The Particle-Mesh Ewald method was used to calculate long-range interactions.

上記条件下で500psの分子動力学計算を行い、0.1psごとに全ての原子の位置を保存した。
(繰り返し工程)
計算工程で設定した3次元の格子の格子点のうち、既に拡散原子であるリチウム原子を配置し、分子動力学計算を実施した点とは異なる格子点にリチウム原子を1個配置した。そして、係るリチウム原子を配置した構造について、計算工程の場合と同様に分子動力学計算を実施した。
Molecular dynamics calculations were performed for 500 ps under the above conditions, and the positions of all atoms were saved every 0.1 ps.
(repetitive process)
Among the lattice points of the three-dimensional lattice set in the calculation process, a lithium atom as a diffusion atom was already placed, and one lithium atom was placed at a lattice point different from the point where the molecular dynamics calculation was performed. Then, molecular dynamics calculations were performed on the structure in which the lithium atoms were arranged in the same manner as in the calculation process.

さらに拡散原子であるリチウム原子を配置する格子点を変更する点以外は、上述の場合と同様にして、全ての格子点にそれぞれリチウム原子を配置し、分子動力学計算を実施するまで繰り返し実施した。
(自由エネルギー算出工程)
自由エネルギー算出工程では、まず計算工程、および繰り返し工程で記録した拡散原子を含む系の構造を間隔が0.1psとなるように取出し、K-Means法によりクラスタリングし、拡散原子を含む系の構造を分類した。
Furthermore, except for changing the lattice points where lithium atoms, which are diffusion atoms, are placed, the procedure was repeated in the same manner as described above, until lithium atoms were placed at all lattice points and molecular dynamics calculations were performed. .
(Free energy calculation process)
In the free energy calculation process, first, the structure of the system containing diffused atoms recorded in the calculation process and the repetition process is extracted so that the interval is 0.1 ps, and clustered using the K-Means method to calculate the structure of the system containing diffused atoms. was classified.

クラスタリングにより拡散原子を含む系の構造を分類した後、単位時間τを10psに設定し、分類した状態間の遷移を数え、遷移行列T(τ)を、最尤法を用いて推定した。 After classifying the structure of the system containing diffused atoms by clustering, the unit time τ was set to 10 ps, transitions between the classified states were counted, and the transition matrix T(τ) was estimated using the maximum likelihood method.

得られた遷移行列T(τ)から、遷移行列T(τ)の固有値と固有ベクトルとを求めた。そして、算出した固有ベクトルを用いて、分類した各状態における拡散原子の位置に対する、自由エネルギーを既述の式(3)により算出した。
(拡散経路探索工程)
分類した各状態における拡散原子の座標と、各状態における自由エネルギー算出工程で算出した自由エネルギーとをマッピング、すなわち3次元プロットし、得られたマップから、自由エネルギーが小さく、連続した領域を探索し、拡散経路とした。
From the obtained transition matrix T(τ), the eigenvalues and eigenvectors of the transition matrix T(τ) were determined. Then, using the calculated eigenvectors, the free energy for the position of the diffused atom in each classified state was calculated using the above-mentioned equation (3).
(Diffusion route search process)
The coordinates of the diffused atoms in each classified state and the free energy calculated in the free energy calculation process for each state are mapped, that is, three-dimensionally plotted, and from the resulting map, a continuous region with small free energy is searched. , as a diffusion route.

拡散経路探索工程で得られた拡散原子の拡散経路を図2に示す。 FIG. 2 shows the diffusion paths of the diffused atoms obtained in the diffusion path search step.

図2に示すように、リチウム原子111の拡散経路として、拡散経路211~214が見出された、係る拡散経路はセルの中央部に配置された拡散原子であるリチウム原子111(図1を参照)と、該リチウム原子111の周囲に配置されたリチウム原子との間をつなぐように形成されている。 As shown in FIG. 2, diffusion paths 211 to 214 were found as diffusion paths for the lithium atoms 111. These diffusion paths are the diffusion paths for the lithium atoms 111, which are diffusion atoms placed in the center of the cell (see FIG. 1). ) and lithium atoms arranged around the lithium atom 111.

係る拡散経路211~214は、これまでに報告されているLiMnにおけるリチウム原子の拡散経路とも一致しており、本実施例で用いた拡散経路の探索方法が実際の現象に即したものであることを確認できた。
[比較例1]
(初期構造設定工程)
実施例1の場合と同様に、LiMnの初期構造の設定を行った。具体的には、図1に示すようにセル内に、リチウム原子11と、マンガン原子12と、酸素原子13とが配置されたLiMnの構造10を設定した。なお、本比較例では、拡散原子であるリチウム原子111も配置した構造10を初期構造とした。
(拡散経路探索工程)
各原子の位置と、拡散原子であるリチウム原子111の原子半径とから、拡散経路の探索を行った。
These diffusion paths 211 to 214 match the previously reported diffusion paths of lithium atoms in LiMn 2 O 4 , and the method of searching for diffusion paths used in this example is based on actual phenomena. I was able to confirm that.
[Comparative example 1]
(Initial structure setting process)
As in Example 1, the initial structure of LiMn 2 O 4 was set. Specifically, as shown in FIG. 1, a structure 10 of LiMn 2 O 4 in which lithium atoms 11, manganese atoms 12, and oxygen atoms 13 were arranged was set in the cell. In this comparative example, structure 10 in which lithium atoms 111, which are diffusion atoms, were also arranged was used as the initial structure.
(Diffusion route search process)
A diffusion route was searched based on the position of each atom and the atomic radius of the lithium atom 111, which is a diffusing atom.

その結果、図3に示すように拡散経路31を探索できた。 As a result, the diffusion route 31 could be searched as shown in FIG.

上記実施例の結果と比較すると明らかなように、本比較例では全ての拡散経路を探索することはできなかった。また、各原子の位置と、リチウム原子111の原子半径とから拡散経路を探索するため、拡散経路の探索に多くの時間を要し、実施例1の様に効率的に拡散経路を探索することはできなかった。 As is clear from the comparison with the results of the above examples, it was not possible to search all the diffusion routes in this comparative example. In addition, since the diffusion route is searched based on the position of each atom and the atomic radius of the lithium atom 111, it takes a lot of time to search for the diffusion route, and it is difficult to search for the diffusion route efficiently as in Example 1. I couldn't.

Claims (1)

拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、拡散原子以外の複数の原子を配置した初期構造を設定する初期構造設定工程と、
前記初期構造に3次元の格子を設定し、前記格子の格子点に拡散原子を配置した構造について、分子動力学計算を実施する計算工程と、
前記拡散原子を配置する前記格子点を変更し、分子動力学計算を実施する繰り返し工程と、
前記計算工程、および前記繰り返し工程の計算結果に基づいて、前記拡散原子の前記結晶内における複数の位置での存在確率を求め、前記存在確率から前記拡散原子の複数の前記位置における自由エネルギーをそれぞれ算出する自由エネルギー算出工程と、
前記自由エネルギー算出工程で求めた前記拡散原子の複数の前記位置における自由エネルギーから、前記拡散原子の拡散経路を探索する拡散経路探索工程と、を有する拡散経路の探索方法。
an initial structure setting step of setting an initial structure in which a plurality of atoms other than diffusion atoms are arranged in a crystal used for diffusion route search;
a calculation step of setting a three-dimensional lattice in the initial structure and performing molecular dynamics calculations on the structure in which diffused atoms are arranged at lattice points of the lattice;
a repeated step of changing the lattice points at which the diffused atoms are placed and performing molecular dynamics calculations;
Based on the calculation results of the calculation step and the repetition step, the existence probability of the diffused atom at a plurality of positions in the crystal is determined, and the free energy of the diffused atom at the plurality of positions is determined from the existence probability. a free energy calculation step;
A method for searching a diffusion path, comprising: a diffusion path searching step of searching for a diffusion path of the diffusing atom from the free energy at the plurality of positions of the diffusing atom obtained in the free energy calculating step.
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