JP2006172406A - Method for creating interface structure data and system for supporting creation of interface structure data - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、界面および表面での物質の電子状態を求めるシミュレーションの実行に際し、入力データに用いる界面構造データの作成を支援するシステムに関する。 The present invention relates to a system that supports creation of interface structure data used as input data when executing a simulation for obtaining an electronic state of a substance at an interface and a surface.
近年のコンピュータの高速化ならびに使用可能なメモリの大容量化、および、シミュレーションアルゴリズムの発展に伴い、材料開発においてコンピュータシミュレーションが重要な地位を占めつつある。特に、ナノメートルサイズの構造の原子レベルでの精密解析に対する需要が高まっている。 In recent years, computer simulation is taking on an important position in material development as the speed of computers increases, the capacity of usable memory increases, and the development of simulation algorithms. In particular, there is an increasing demand for precise analysis at the atomic level of nanometer-sized structures.
広く使われている原子レベルでのシミュレーションソフトウェアとしてVASP,CASTEP,Gaussianなどがある。しかし、これらのソフトウェアは研究用としての色彩が強く、シミュレーションを専門としない人に対する利便性はあまり考慮されていない。シミュレーションを実行するためには、その計算内容の詳細を記述した入力ファイルが必要であるが、これを作成するためにはある程度の専門知識が必要である。その中でも特に原子配置の入力には膨大な手間を要し、専門知識を有する人にとっても面倒な作業である。そこで、前記シミュレーションソフトウェアを多くの人々が簡単に利用できるようにするためには、入力支援システムの整備が重要になっている。そのような支援システムとして例えば、Materials Design社(http://www.materialsdesign.com/)の「MedeA」がある。このシステムは、シミュレーションエンジン部にはVASP等を使用しているが、ユーザーインターフェースを整備して入力ファイル作成の手間を大幅に低減しており、専門知識を有さない人にも使い易い。特に原子配置に関しては、商用結晶構造データベースからデータを読み込み、それをシミュレーションの入力に使えるようになっていることに加えて、原子の置換、移動、追加、削除などの操作が簡単に行えるようになっており、目的とする結晶構造の原子配置を作成し、シミュレーションを実行することが容易にできる。 Examples of widely used atomic level simulation software include VASP, CASTEP, and Gaussian. However, these softwares have strong research colors and do not take into account the convenience of those who do not specialize in simulation. In order to execute the simulation, an input file in which details of the calculation contents are described is required, but in order to create this, a certain degree of expertise is required. In particular, it takes a lot of time to input the atomic arrangement, which is troublesome for those who have specialized knowledge. Therefore, in order to make the simulation software easily available to many people, it is important to develop an input support system. An example of such a support system is “MedeA” of Materials Design (http://www.materialsdesign.com/). Although this system uses VASP or the like for the simulation engine unit, the user interface has been improved to greatly reduce the labor of creating an input file, and it is easy to use for those who do not have specialized knowledge. In particular, regarding atomic arrangement, in addition to being able to read data from a commercial crystal structure database and use it for simulation input, operations such as replacing, moving, adding, and deleting atoms can be easily performed. Therefore, it is easy to create an atomic arrangement of the target crystal structure and execute a simulation.
一方、触媒反応を調べるためには表面、また、デバイス設計の際には界面のシミュレーションが重要である。当然のことながら、界面もしくは表面のシミュレーションを実行するためには、それに応じた入力ファイルが必要である。 On the other hand, in order to investigate the catalytic reaction, it is important to simulate the surface and the interface during device design. Naturally, in order to execute the simulation of the interface or the surface, an input file corresponding to the simulation is required.
VASPやCASTEPでは、結晶が三次元周期構造を持つことに着目し、電子波動関数を平面波で展開することにより、無限に大きな系のシミュレーションを可能にしている。一方、Gaussianでは電子波動関数をガウス関数などの局在関数で展開するため、有限系のシミュレーションに適している。ところが界面は、界面に平行な二次元方向には周期構造を有するが、界面に垂直な方向には周期性を持たない。すなわち厳密には、前記ソフトウェアで界面構造のシミュレーションを実行することはできない。 In VASP and CASTEP, focusing on the fact that the crystal has a three-dimensional periodic structure, an infinitely large system can be simulated by expanding the electron wave function with a plane wave. On the other hand, Gaussian is suitable for finite system simulation because the electron wave function is expanded by a local function such as a Gaussian function. However, the interface has a periodic structure in a two-dimensional direction parallel to the interface, but does not have periodicity in a direction perpendicular to the interface. That is, strictly speaking, the interface structure cannot be simulated by the software.
そこで、シミュレーションの本質を損なわずに、界面もしくは表面を三次元周期構造として取り扱うために、周期スラブモデルが用いられる。その使用例は、非特許文献1および2に開示されている。周期スラブモデルの単位構造を図2に模式的に示す。図2(a)は表面周期スラブモデルを表している。スラブ2の部分にのみ原子が存在し、その上下に、原子が存在しない真空層1が付加されている。この構造が三次元的に並んだモデルを考えると、a軸およびb軸方向には結晶と同様の周期境界条件が課されており、c軸方向には真空層を挟んで周期境界条件が課されている。ここで、スラブの厚さdが大きければ、スラブ裏面の影響はスラブの表面にほとんど現れない。すなわち、dが無限大である状態とほぼ等価であり、現実の表面状態を良く再現する。実用上、dは10原子層程度で十分であることが多い。また、スラブの上下に設けられた真空層は、この層を介してのスラブ間相互作用が無視できる程度に厚くする。これにより、c軸方向の周期性を無視することができ、孤立した表面状態を再現することができる。真空層の厚さは5オングストローム程度以上で良い。 Therefore, a periodic slab model is used to treat the interface or surface as a three-dimensional periodic structure without impairing the essence of the simulation. Examples of its use are disclosed in
図2(b)はスラブ2の上部にのみ真空層1が付加されている。c軸方向にも周期境界条件が課されているため、図2(a),図2(b)の二つのモデルは等価である。状況に応じて使いやすい方を選ぶと良い。 In FIG. 2B, the
図2(c)は界面構造の周期スラブモデルを示している。二つの単位格子を与え、第一の単位格子から作成した表面スラブ3と第二の単位格子から作成した表面スラブ4を密接して配置することにより、界面スラブを実現している。 FIG. 2C shows a periodic slab model of the interface structure. An interface slab is realized by providing two unit cells and closely arranging the
前記周期スラブモデルは、三次元周期境界条件を満足するので、前記シミュレーションソフトウェアでの取り扱いが可能である。 Since the periodic slab model satisfies a three-dimensional periodic boundary condition, it can be handled by the simulation software.
しかしながら、従来は周期スラブモデルの作成を支援するための汎用システムが存在しておらず、研究者たちが個別の対象に特化したシステムを構築し、利用してきた。このため、専門知識を持たない人が界面および表面状態のシミュレーションを実行することは困難であった。また、専門知識を有する研究者たちにとっても、対象となる構造毎に異なるシステムを構築する必要があった。 Conventionally, however, there is no general-purpose system to support the creation of periodic slab models, and researchers have built and used systems specialized for individual objects. For this reason, it is difficult for a person who does not have specialized knowledge to execute the simulation of the interface and the surface state. Also, researchers with specialized knowledge needed to build different systems for each target structure.
周期スラブモデルの作成を支援するための汎用システムを提供することにより、界面および表面構造のシミュレーションを実施するために必要な原子配置を記述する界面構造データおよび表面構造データの作成を支援する。 By providing a general-purpose system for supporting the creation of the periodic slab model, the creation of the interface structure data and the surface structure data describing the atomic arrangement necessary for performing the simulation of the interface and the surface structure is supported.
結晶の単位格子から、周期境界条件を満足する表面単位格子を作成する。表面水平方向の周期境界条件を満たす、任意の面方位を持つ表面単位格子を作成すると、表面単位格子が無限に大きくなる場合がある。そのような表面単位格子には無限個の原子が含まれるが、シミュレーションで取り扱える原子数には上限があるため、大きい表面単位格子は適さない。そこで本発明では、ミラー指数で指定される面方位のみを考慮する。実験で用いられる面方位も、ほとんどの場合は簡単なミラー指数で表されるため、実用上の問題は全くない。 A surface unit cell that satisfies the periodic boundary condition is created from the crystal unit cell. If a surface unit cell having an arbitrary plane orientation that satisfies the periodic boundary condition in the surface horizontal direction is created, the surface unit cell may become infinitely large. Such a surface unit cell contains an infinite number of atoms, but since there is an upper limit on the number of atoms that can be handled in the simulation, a large surface unit cell is not suitable. Therefore, in the present invention, only the plane orientation specified by the Miller index is considered. Since the plane orientation used in the experiment is almost always expressed by a simple Miller index, there is no practical problem.
前記単位格子の拡張と境界面の変更により、変形拡張格子を作成する。前記ミラー指数で指定された面を境界とする変形拡張格子が、表面単位格子となる。前記表面単位格子を有限個並べることにより、表面スラブを作成する。さらに、前記表面スラブに真空層を付加することにより、表面周期スラブモデルを作成する。 A modified extended grid is created by expanding the unit grid and changing the boundary surface. A deformed extended lattice having a plane specified by the Miller index as a boundary is a surface unit lattice. A surface slab is created by arranging a finite number of the surface unit cells. Furthermore, a surface periodic slab model is created by adding a vacuum layer to the surface slab.
また、前記表面スラブを二つ接合することにより界面スラブを作成する。接合後も周期境界条件を満足するためには、前記二つの表面スラブの接合面形状が一致している必要がある。そこで、接合面形状が一致するように、それぞれの表面単位格子の拡張、回転、圧縮、伸長等の整形処理を施した後に、表面スラブを作成する。同時に、前記二つの表面スラブの接合面に存在しているダングリングボンド同士が、なるべく滑らかに結合するように考慮する。さらに、二つの表面スラブ内の原子位置を相対的に移動させることにより、接合面での原子間結合を滑らかにする。 Also, an interface slab is created by joining the two surface slabs. In order to satisfy the periodic boundary conditions even after joining, the joining surface shapes of the two surface slabs need to match. Therefore, a surface slab is created after shaping processing such as expansion, rotation, compression, and expansion of each surface unit lattice so that the joint surface shapes match. At the same time, consideration is given so that the dangling bonds present on the joint surface of the two surface slabs are bonded as smoothly as possible. Further, the atomic positions in the two surface slabs are relatively moved to smooth the interatomic bond at the joint surface.
整形された二つの表面スラブを接合し、界面スラブを作成する。前記界面スラブに真空層を付加することにより、界面周期スラブモデルが作成される。 Join two shaped surface slabs to create an interface slab. An interface periodic slab model is created by adding a vacuum layer to the interface slab.
さらに、スラブと真空層の界面に残っているダングリングボンドを水素原子等で終端する。この処理により、安定原子配置を有するスラブモデルを得ることができる。 Further, dangling bonds remaining at the interface between the slab and the vacuum layer are terminated with hydrogen atoms or the like. By this process, a slab model having a stable atomic arrangement can be obtained.
界面および表面構造に対応した入力ファイル作成支援システムを用意することにより、シミュレーションによる物質設計を容易に行えるようになる。 By preparing an input file creation support system corresponding to the interface and surface structure, material design by simulation can be easily performed.
本発明を実施するための最良の形態による表面周期スラブモデルの作成方法を、図1のフローチャートを参照して説明する。まず、表面単位格子の元になる結晶構造を形成する単位格子を用意する(ステップS1)。そのデータはエックス線構造解析等の実験から得られたものでも良いし、実験データが蓄積されているデータベースから取得したものでも良い。古典分子動力学法によるシミュレーションの結果等であっても良い。さらに、それらの単位格子に原子を付加する等して加工したものであっても良い。図3に、単位格子を模式的に示す。単位格子30は平行六面体であり、その形状は、辺を構成する三つの格子ベクトルa,b,cで特徴付けられる。それらベクトルの大きさをそれぞれa,b,c、また、ベクトルaとbの間の角度をγ,aとcの間の角度をβ,bとcの間の角度をαで表す。単位格子を式1で表される並進ベクトルRだけ動かし、それらをあらゆる整数n1,n2,n3について重ね合わせたものが結晶構造である。A method for creating a surface periodic slab model according to the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. First, a unit cell that forms a crystal structure that is the basis of the surface unit cell is prepared (step S1). The data may be obtained from experiments such as X-ray structure analysis, or may be obtained from a database in which experimental data is accumulated. It may be the result of simulation by the classical molecular dynamics method. Further, it may be processed by adding atoms to these unit cells. FIG. 3 schematically shows the unit cell. The
R=n1a+n2b+n3c ……(1)R = n 1 a + n 2 b + n 3 c (1)
単位格子内部の原子配置が、結晶構造全体の原子配置を特徴付けている。原子位置(x,y,z)が
通常、面方位を指定する際にはブラベー格子を基準にする。そこで、基本単位格子が与えられた場合には、それをブラベー格子に拡張してから、以下の処理を行うと良い。基本単位格子からブラベー格子への変換は、当業者にとっては何ら困難をともなわない。基本単位格子に対して以下の処理を適用することも可能であるが、通常の面方位とは一致しないことに注意を要する。 Normally, the Bravey lattice is used as a reference when designating the plane orientation. Therefore, when a basic unit lattice is given, it is good to extend it to a Bravay lattice and then perform the following processing. The conversion from the basic unit cell to the Bravay cell is not difficult for those skilled in the art. Although it is possible to apply the following processing to the basic unit cell, it should be noted that it does not match the normal plane orientation.
単位格子から表面周期スラブモデルを作成する際に注意すべき点は、表面に平行な方向には周期境界条件が課されていることである。すなわち、表面周期スラブモデルは、その境界で滑らかにつながるような原子配置を有する表面スラブで構成されていなければ、目的とするシミュレーション結果を得ることはできない。 A point to be noted when creating a surface periodic slab model from a unit cell is that a periodic boundary condition is imposed in a direction parallel to the surface. That is, the target periodic simulation result cannot be obtained unless the surface periodic slab model is composed of a surface slab having an atomic arrangement that is smoothly connected at the boundary.
任意の面方位を有する表面スラブを考えると、周期境界条件を満たすためには無限に大きな表面単位格子が必要になる場合がある。しかし、シミュレーションで一度に取り扱うことが可能な原子数には限りがあるため、表面スラブの大きさには制限がある。そこで本実施の形態では、ミラー指数(h k l)で指定される面方位の表面単位格子を作成する。単位格子に含まれる原子数をnとすると、ミラー指数(h k l)で表される表面単位格子に含まれる原子数Nは、概ね式3で表される。 Considering a surface slab having an arbitrary plane orientation, an infinitely large surface unit cell may be required to satisfy the periodic boundary condition. However, since the number of atoms that can be handled at one time in the simulation is limited, the size of the surface slab is limited. Therefore, in the present embodiment, a surface unit cell having a plane orientation specified by the Miller index (h k l) is created. When the number of atoms contained in the unit cell is n, the number N of atoms contained in the surface unit cell represented by the Miller index (h k l) is approximately expressed by
N=n×h×k×l ……(3)
ただし、h,k,lのいずれかが0の場合には、その値は1として計算する。Nには、後述するダングリングボンドを処理するための水素等の原子は含まれておらず、さらに、後述する界面構造作成時の回転操作によっても原子数が増加することに注意が必要である。この表面単位格子に含まれる原子数に上限が存在するため、作成可能な面方位は制限される。N = n × h × k × l (3)
However, when any of h, k, and l is 0, the value is calculated as 1. It should be noted that N does not contain atoms such as hydrogen for treating dangling bonds, which will be described later, and that the number of atoms also increases due to a rotation operation when creating an interface structure, which will be described later. . Since there is an upper limit on the number of atoms contained in the surface unit cell, the plane orientation that can be created is limited.
もしくは、面方位を角度等の別の数値で指定し、それに近い角度をもつ面方位のミラー指数の複数の候補を出力する機能を有しても良い。その場合には、実際に使う構造を、前記複数の候補の中から外部入力により指定する。 Alternatively, it may have a function of designating the surface orientation with another numerical value such as an angle and outputting a plurality of candidates for the surface orientation mirror index having an angle close to that. In that case, the structure to be actually used is designated by external input from among the plurality of candidates.
また、六方晶系では、面方位は四つの指数(h k i l)を用いて表されるが、(h k l)と 理では(110)面として扱われる。なお、h+k=−iが常に成立している。In the hexagonal system, the plane orientation is expressed using four indices (h k i l), and (h k l) and In theory, it is treated as the (110) plane. Note that h + k = −i is always established.
次に、結晶の単位格子を拡張する(ステップS2)。結晶のa軸方向にh個、b軸方向にk個、c軸方向にl個の単位格子を、並進ベクトルRを満たし、かつ、平行六面体を形成するように密接して並べ、新たな格子を作成する。以下では、このようにして作成した前記新たな格子を拡張格子と呼ぶ。図4に拡張格子の例を示す。これは、(231)表面単位格子を作成するために、単位格子30をa軸方向に2個、b軸方向に3個、c軸方向に1個、密接するように並べた様子である。拡張格子の平行六面体を特徴付ける格子ベクトルをa′,b′,c′とする。さらに、格子ベクトルの変更にともなって内部座標表現を変更すると、単位格子30から生成される結晶構造と、拡張格子から生成される結晶構造は一致する。
前記拡張格子の(111)面は単位格子の(h k l)面と等価である。例えば、図4に示した拡張格子の(111)面は、単位格子30の(231)面と等価である。同様に、拡張格子の(110)面,(101)面,(011)面は、それぞれ単位格子の(h k 0)面,(h 0 l)面,(0 k l)面と等価である。図4に示した拡張格子の(110)面は、単位格子30の(230)面と等価である。 The (111) plane of the extended lattice is equivalent to the (h k l) plane of the unit lattice. For example, the (111) plane of the extended grid shown in FIG. 4 is equivalent to the (231) plane of the
ステップS3では、前記拡張格子の境界面を変更する。指定されたミラー指数(h k l)が全て0でない場合には、境界面を(111)面に変更する。一つのみが0の場合、例えばhのみが0の場合には、境界面を(011)面にする。同様にkのみ0の場合には(101)面、lのみ0の場合には(110)面を境界にする。図5に、境界面を(101)面に変更する様子を示す。まず、拡張格子を(101)面を境界として二つの五面体51および52に分割する(図5(a))。分割した前記二つの五面体を分離して図5(b)に示す。次にどちらか一方の五面体をc’軸方向に格子ベクトル分だけ移動させる。ここでは五面体52を−c′移動させた。図5(c)は移動後の二つの五面体を分離して表しているが、実際には二つの五面体は、拡張格子の(001)面で接しており、図5(d)の配置となる。すなわち、移動後の二つの五面体は、再び平行六面体を形成する。このとき、格子ベクトルは次のように変換される。
拡張格子の境界面を(111)面にするためには、変形拡張格子Aの境界面をさらに変更すると良い。図6は前記変形拡張格子Aの境界面を、さらに(011)面に変更する様子を示す模式図である。変形拡張格子Aを(011)面で分割し(図6(a))、一方の五面体をc’’軸に沿って移動させる。(001)面同士が接する配置を取ると一組の境界面が変形拡張格子Aの(011)面となった平行六面体ができる(図6(b))。この平行六面体から生成した結晶構造も、単位格子から生成された結晶構造と一致する。この変形により、格子ベクトルは次のように変換される。
以上の操作により、単位格子のミラー指数(h k l)で指定される任意の面を境界とし、かつ、周期境界条件を満足する、変形拡張格子を作成できる。この変形拡張格子が、表面スラブを作成するための表面単位格子となる。 With the above operation, a modified extended lattice can be created that has an arbitrary surface specified by the Miller index (h k l) of the unit lattice as a boundary and satisfies the periodic boundary condition. This deformation extended lattice becomes a surface unit lattice for creating a surface slab.
表面単位格子を用いると、表面構造を容易に作ることができる。以下の説明では、単位格子の所望の面方位が、前記表面単位格子の(001)面となるように変形されているとする。前記表面単位格子を特徴付ける格子ベクトルを、改めてa,b,cと書く。この表面単位格子を式1で表される並進ベクトルRだけ動かし、それらをあらゆるRについて重ね合わせると、結晶構造ができる。ここで、n3の範囲を非負整数に制限すると、(001)面を表面とする、半無限表面構造ができる。図6(b)に示した表面単位格子に適用すると、単位格子の(h k l)面を表面とする、半無限表面構造ができる。さらに、n3に上限を設けることにより、表面平行方向に無限に広がるスラブを作成することができる。前記無限に広がるスラブは、表面単位格子をc軸方向に拡張した表面スラブに、表面平行方向の周期境界条件を課したものと等価である。前記n3の上限を変更することにより、表面スラブの厚さが変化する。そこでステップS6では、スラブ裏面の影響がスラブ表面に現れない程度の表面スラブの厚さを確保しつつ、表面スラブに含まれる原子数がシミュレーション実行可能な最大原子数を超えないような厚さを、外部入力により指定すると良い。n3の範囲が負の整数であっても、同様の表面スラブが作成できることは言うまでもない。With the surface unit cell, the surface structure can be easily made. In the following description, it is assumed that the desired plane orientation of the unit cell is modified so as to be the (001) plane of the surface unit cell. The lattice vectors characterizing the surface unit lattice are rewritten as a, b, and c. When this surface unit cell is moved by the translation vector R represented by
表面スラブの上下に真空層を生成する(ステップS7)。c軸の長さをq倍し、c軸方向の原子の内部座標をqで割ると、原子が存在しない真空層が生成され、図2(b)に示した表面周期スラブモデルが完成する。さらに全ての原子をc軸方向に所定の距離移動させると、図2(a)に示した表面周期スラブモデルが完成する。真空層が大きいほど、真空層を介した相互作用が小さくなるのでシミュレーションは正確になるが、シミュレーションに要する時間は長くなる。通常は、5オングストローム程度で良い。 Vacuum layers are generated above and below the surface slab (step S7). When the length of the c-axis is multiplied by q and the internal coordinates of the atoms in the c-axis direction are divided by q, a vacuum layer in which no atoms are present is generated, and the surface periodic slab model shown in FIG. Further, when all atoms are moved by a predetermined distance in the c-axis direction, the surface periodic slab model shown in FIG. 2A is completed. The larger the vacuum layer, the smaller the interaction through the vacuum layer and the more accurate the simulation, but the longer the simulation takes. Usually, it may be about 5 angstroms.
表面スラブと真空層との境界面には、結晶を有限の位置で切断したことによる、ダングリングボンドが存在し、不安定な構造になっている。そこでステップS8において、水素原子等によりダングリングボンドを終端し、安定した電子状態を作成すると良い。 At the interface between the surface slab and the vacuum layer, there is a dangling bond resulting from cutting the crystal at a finite position, and the structure is unstable. Therefore, in step S8, it is preferable to terminate the dangling bonds with hydrogen atoms or the like to create a stable electronic state.
結晶を切断した際に切断した結合がダングリングボンドになるため、その位置および角度を知ることは容易である。そこで、その結合の位置および角度を保つように、水素原子等を付加する。結合長は変化させても良い。原子種がわかれば、おおよその結合長がわかるのでそれに応じた位置に原子を付加すると良い。例えば、水素原子と珪素原子の結合距離は1.5オングストローム程度、水素原子と炭素原子の結合距離は1オングストローム程度であることが広く知られているので、参考にすると良い。 Since the bond cut when the crystal is cut becomes a dangling bond, it is easy to know its position and angle. Therefore, a hydrogen atom or the like is added so as to maintain the position and angle of the bond. The bond length may be changed. If you know the atomic species, you can know the approximate bond length, so it is better to add atoms at the corresponding positions. For example, it is widely known that the bond distance between a hydrogen atom and a silicon atom is about 1.5 angstroms, and the bond distance between a hydrogen atom and a carbon atom is about 1 angstrom.
シミュレーションソフトウェアが原子位置の最適化機能を有する場合には、最適化を行い、付加した原子を安定位置に移動させても良い(ステップS9)。さらに、スラブ表面から数層の原子も含めて位置の最適化を行うと、より一層好ましい。 If the simulation software has an atom position optimization function, optimization may be performed to move the added atom to a stable position (step S9). Furthermore, it is even more preferable to optimize the position including several layers of atoms from the slab surface.
以上の手続きにより、結晶構造を形成する単位格子から、表面方向の周期境界条件を満足する表面周期スラブモデルが作成できる。前記シミュレーションソフトウェアの入力形式に応じた変換を施してから、外部に出力しても良いし、メモリ等の内部記憶装置を介してシミュレーションソフトウェアへの入力として使用しても良い。 By the above procedure, a surface periodic slab model satisfying the periodic boundary condition in the surface direction can be created from the unit cell forming the crystal structure. After performing conversion according to the input format of the simulation software, it may be output to the outside or used as input to the simulation software via an internal storage device such as a memory.
なお、表面はスラブと真空との界面であり、この意味で、前記表面周期スラブモデルを界面周期スラブモデルと呼ぶことも可能である。 The surface is an interface between the slab and the vacuum, and in this sense, the surface periodic slab model can also be called an interface periodic slab model.
界面構造の周期スラブモデルを作成するためには、前記本発明を実施するための最良の形態として開示された手法により二つの表面単位格子を作成し、それらを予め指定された面で接合すると良い。その際、界面すなわち接合面方向の周期境界条件を満足するためには、各表面単位格子の接合面の形状は同一でなければならない。しかしながら、異なる単位格子から作成した表面単位格子、もしくは、同一の単位格子から作成した表面単位格子であっても面方位が異なる場合には、接合面の形状は一致しないことがほとんどである。さらに、たとえ接合面の形状が同一であっても、接合面を介した原子間の結合が滑らかに組み合わさっていなければ、安定な構造を実現できないので、シミュレーションに用いる界面構造として不適切である。そこで、本発明の第2の実施の形態による界面周期スラブモデル作成方法は、以下に開示する手順により、接合面の変形を行った後に接合処理を施す。 In order to create a periodic slab model of an interface structure, it is preferable to create two surface unit lattices by the method disclosed as the best mode for carrying out the present invention and to join them on a predesignated surface. . At that time, in order to satisfy the periodic boundary condition in the interface, that is, the bonding surface direction, the shape of the bonding surface of each surface unit cell must be the same. However, even in the case of a surface unit lattice created from different unit lattices or a surface unit lattice created from the same unit lattice, the shape of the joining surface is almost inconsistent when the plane orientations are different. Furthermore, even if the shape of the bonding surface is the same, a stable structure cannot be realized unless the bonds between the atoms via the bonding surface are combined smoothly, so it is inappropriate as an interface structure used for simulation. . Therefore, the interface periodic slab model creation method according to the second embodiment of the present invention performs the joining process after deforming the joining surface according to the procedure disclosed below.
二つの表面単位格子の表面形状を図8に示す。図8(a)は第一の表面単位格子の接合面、図8(b)は第二の表面単位格子の接合面を示している。どちらもc軸正の方向から見た図であるとし、第一の表面単位格子は接合面からc軸正の方向に、第二の表面単位格子は接合面からc軸負の方向にスラブが形成される。 The surface shapes of the two surface unit cells are shown in FIG. FIG. 8A shows the bonding surface of the first surface unit cell, and FIG. 8B shows the bonding surface of the second surface unit cell. Both are views seen from the c-axis positive direction, the first surface unit cell has a slab in the c-axis positive direction from the bonding surface, and the second surface unit cell has a slab in the c-axis negative direction from the bonding surface. It is formed.
接合面は平行四辺形であり、その形状は、平行でない二つの辺の長さと、その間の角度で特徴付けられる。接合面の形状が一致するということは、二つの平行四辺形が合同であることに他ならない。すなわち、次式が満たされていれば良い。
前述のように、通常、式10は満たされていない。そこで、式10を満たすように接合面の変形を行う。ステップS21では、表面単位格子の拡張を行なう。例えば、a2がa1の二倍に近い場合には、第一の表面単位格子をa軸方向に二つ並べた表面拡張格子を作成し、
格子を大きく拡張すればするほど、その大きさの差の割合を小さくすることが可能であるが、表面拡張格子に含まれる原子数が増大するので、シミュレーションを実行することが可能な最大原子数を超えないように注意する。As mentioned above, Equation 10 is usually not satisfied. Therefore, the joint surface is deformed to satisfy Equation (10). In step S21, the surface unit cell is expanded. For example, if a 2 is close to twice a 1 , create a surface extended lattice in which two first surface unit lattices are arranged in the a-axis direction,
The larger the lattice, the smaller the percentage difference in size can be reduced, but the number of atoms contained in the surface extended lattice increases, so the maximum number of atoms that can be simulated Be careful not to exceed.
さらに、ステップS21は、表面拡張格子を、接合面に垂直な軸を中心として回転させる処理を含む。この変形により、γ1およびγ2を変更することができる。任意角度の回転を許すと、表面方向の周期境界条件を満たすためには無限に大きな表面拡張格子が必要になるので、ここでもミラー指数を考える。表面拡張格子を回転させる様子を図7に示す。境界面を(i j 0)に変更し、変更後の軸の一つをa’軸とする。変更前のa軸をa’軸とが一致するように座標軸を回転させると、表面拡張格子内の原子が回転することが分かる。このように、回転操作は表面拡張格子の境界面変更として処理できる。第一の実施の形態でも述べたように、境界面の変更は表面拡張格子のさらなる拡張をともない、b軸および軸の間の角度γも変更を受けていることは言うまでもない。Further, step S21 includes a process of rotating the surface expansion grating about an axis perpendicular to the joint surface. By this deformation, γ 1 and γ 2 can be changed. If rotation at an arbitrary angle is allowed, an infinitely large surface expansion grating is required to satisfy the periodic boundary condition in the surface direction, so the Miller index is also considered here. FIG. 7 shows how the surface extended grating is rotated. The boundary surface is changed to (i j 0), and one of the changed axes is defined as the a ′ axis. It can be seen that when the coordinate axis is rotated so that the a-axis before the change coincides with the a′-axis, the atoms in the surface extended lattice rotate. Thus, the rotation operation can be processed as a boundary surface change of the surface expansion grid. As described in the first embodiment, it is needless to say that the change of the boundary surface is accompanied by the further extension of the surface expansion grating, and the angle γ between the b axis and the axis is also changed.
前記表面格子の拡張と回転の順番は入れ替えても良いし、繰り返し行っても良い。前記二つの表面拡張格子の接合面形状をできるだけ近づけると良い。 The order of the expansion and rotation of the surface lattice may be switched or repeated. It is preferable to make the joining surface shapes of the two surface extended gratings as close as possible.
ステップS21では接合面の形状のみに注目して変形している。しかしながら、前記二つの表面拡張格子の接合面形状が一致したとしても、それらを接合した後に、その接合面すなわち界面を介した原子間の結合が滑らかに組み合わさっているとは限らない。結合が滑らかでない界面は安定ではなく、現実の界面構造を反映しているとは言い難い。そこで、ステップS21では複数の表面格子対を界面スラブの候補として作成し、後述するステップS22で接合を行った後に、界面として最もふさわしいスラブを選び出すと良い。 In step S21, the deformation is focused on only the shape of the joint surface. However, even if the joining surface shapes of the two surface-extended lattices coincide with each other, after joining them, bonds between atoms via the joining surfaces, that is, interfaces, are not always combined smoothly. A non-smooth interface is not stable and does not reflect the actual interface structure. Therefore, a plurality of surface lattice pairs are created as interface slab candidates in step S21, and after joining in step S22 described later, a slab most suitable as an interface is selected.
前記二つの表面拡張格子の接合面形状が概ね同じになった後は、表面拡張格子を圧縮もしくは伸長、すなわち、表面拡張格子の原子の内部座標を保ったまま、格子ベクトルのみ変化させることにより、前記二つの表面拡張格子の接合面形状を一致させる(ステップS22)。本実施の形態では、接合面は(001)面であるので、ベクトルaの大きさa、ベクトルbの大きさb、および、ベクトルaとbの間の角度γを変化させる。ここでの変形が大きいと、対象とする系の性質が大きく変わってしまう可能性があるので、ステップS21においてできるだけ接合面の形状差を小さくしておくことが重要である。 After the joining surface shapes of the two surface extended lattices are substantially the same, the surface extended lattice is compressed or expanded, that is, by changing only the lattice vector while maintaining the internal coordinates of the atoms of the surface extended lattice, The joint surface shapes of the two surface extended gratings are matched (step S22). In the present embodiment, since the joint surface is the (001) plane, the magnitude a of the vector a, the magnitude b of the vector b, and the angle γ between the vectors a and b are changed. If the deformation here is large, the properties of the target system may change greatly. Therefore, it is important to reduce the shape difference of the joint surfaces as much as possible in step S21.
図8(a),図8(b)に示した二つの接合面形状を一致させるためには、前記a、b、γを、それぞれ任意の値aM、bM、γMに一致させると良い。aMはa1とa2の間の値、bMはb1とb2の間の値、γMはγ1とγ2の間の値であることが望ましい。例えば、aMはa1とa2の平均値としても良い。In order to make the two joint surface shapes shown in FIGS. 8A and 8B coincide, when a, b, and γ are made to coincide with arbitrary values a M , b M , and γ M , respectively. good. a M value of between a 1 and a 2, b M are values between b 1 and b 2, γ M is preferably a value between gamma 1 and gamma 2. For example, a M may be an average value of a 1 and a 2 .
前記二つの表面拡張格子の元になっている結晶構造のヤング率が既知である場合には、その値を考慮して表面拡張格子を変形しても良い。第一の結晶構造のヤング率をE1、第二の結晶構造のヤング率をE2とする。さらに、第一の表面拡張格子の接合面の一辺の長さをa1、第二の表面拡張格子の接合面の対応する辺の長さをa2とする。a1>a2の場合、前記一辺の長さaMをa1とa2の間の任意の値とした場合には、第一の表面構造には接合面を広げようとする力、第二の表面構造には接合面を狭めようとする力が作用する。その力の大きさが前記表面拡張格子の元になっている結晶構造の場合と同じだとすると、前記ヤング率を用いてそれぞれE1(a1−aM),E2(aM−a2)と表される。最適な状態ではこれらの力が釣り合っていると仮定すると、最適なaMは式11から求めることができる。
表面拡張格子の接合面形状を変化させた際には、接合面に垂直な方向の大きさも変化させることが好ましい。例えば、変形前の体積と変形後の体積が同一になるように変形させると良い。もしくは、ポアソン比σが既知である場合には、その値にしたがって変形させても良い。すなわち、前記表面拡張格子を変形させた結果、第一の表面拡張格子の接合面部分の面積がSからS′に変化した場合には、c軸の長さcを、式12で表されるc′に変化させる。
上記ヤング率およびポアソン比は、実験的に得られた値を用いても良いし、結晶構造のシミュレーションにより得られた値を用いても良い。さらに一般的に、弾性コンプライアンステンソルを用いて、同様の変形を行っても良い。 As the Young's modulus and Poisson's ratio, experimentally obtained values may be used, or values obtained by crystal structure simulation may be used. More generally, the same deformation may be performed using an elastic compliance tensor.
ステップS22では、前記接合面形状を一致させた一組の表面拡張格子71,72を接合させる。図9は接合の様子を、a軸に垂直かつ接合面70に平行な方向から見た模式図である。前記表面拡張格子71および72は接合面で接しており、それらのa軸およびb軸はそれぞれ一致している。ただし、第一の表面拡張格子71および第二の表面拡張格子72のc軸を示すベクトルの向きは、一般に一致しない。 In step S22, a set of
また、ステップS22は、第一の表面拡張格子71に含まれる原子の内部座標の平行移動を含む。個別に作成した二つの表面拡張格子を、接合面すなわち界面で接するよう配置しただけでは(図9参照)、第一の表面拡張格子71に含まれる原子と第二の表面拡張格子72に含まれる原子との間の界面を介した結合が滑らかにつながらない。そこで、結合を滑らかにするために、第一の表面拡張格子71に含まれる各原子の内部座標を、外部から入力されたベクトル(Δx,Δy,Δz)分だけ移動させる。
ここまでの処理では、前記二つの表面拡張格子は、c軸方向まで含めた境界条件を満たす構造を保持している。スラブの厚さを増す処理は、c軸方向の周期境界条件を満たす格子に対しては容易であるので、ここでスラブの厚さを設定する(ステップS6)。次のステップS7で、c軸方向の格子ベクトルを変更すると、式1の意味での周期境界は満たされなくなる。なお、図9の例は、表面拡張格子が十分に厚い場合を示しており、ステップS6は省略している。 In the processing so far, the two surface-extended gratings have a structure that satisfies the boundary condition including the c-axis direction. Since the process of increasing the thickness of the slab is easy for a lattice that satisfies the periodic boundary condition in the c-axis direction, the thickness of the slab is set here (step S6). When the lattice vector in the c-axis direction is changed in the next step S7, the periodic boundary in the meaning of
接合後は界面スラブとして取り扱うため、c軸方向の格子ベクトルを統一する。ステップS7で付加する真空層が十分に厚ければ、c軸方向の周期境界条件は無視することができるので、c軸方向の格子ベクトルは界面に平行でなければどの方向にとっても良い。そこで、本実施の形態ではc軸方向の格子ベクトルを界面に垂直にとる。 After bonding, the lattice vector in the c-axis direction is unified to handle it as an interface slab. If the vacuum layer added in step S7 is sufficiently thick, the periodic boundary condition in the c-axis direction can be ignored. Therefore, the lattice vector in the c-axis direction may be in any direction as long as it is not parallel to the interface. Therefore, in this embodiment, the lattice vector in the c-axis direction is set perpendicular to the interface.
第一の表面拡張格子71のc軸方向の格子ベクトルを界面に垂直にするとスラブ3が、第二の表面拡張格子72のc軸方向の格子ベクトルを界面に垂直にするとスラブ4ができる。前記二つの格子ベクトルを加えたものを改めて格子ベクトルとし、それに応じて原子位置が変化しないように内部座標表現を変換すると界面スラブができる。 When the lattice vector in the c-axis direction of the first surface extended grating 71 is perpendicular to the interface, the
第一の実施の形態と同様に、ステップS7において、前記界面スラブに真空層を付加する。これにより、界面周期スラブモデルができる。 As in the first embodiment, in step S7, a vacuum layer is added to the interface slab. Thereby, an interface period slab model is made.
界面スラブと真空層との境界には、ダングリングボンドが残されているので、水素原子等により終端処理を施す(ステップS8)。 Since dangling bonds remain at the boundary between the interface slab and the vacuum layer, termination treatment is performed with hydrogen atoms or the like (step S8).
ステップS9では、界面スラブの真空層付近の原子の構造緩和を行う。さらに、第一の表面スラブの構成原子に対する、第二の表面スラブの構成原子の位置を最適化すると、接合がより一層滑らかになるので好ましい。各表面構造内部の原子配置には拘束条件を課して構造最適化を行うと、拘束条件がない場合に比べて、最適化に要する時間を大幅に削減できる。界面付近数層の原子に対しては拘束条件を課さなければ、より一層好ましい。 In step S9, the structure of the atoms near the vacuum layer of the interface slab is relaxed. Furthermore, it is preferable to optimize the position of the constituent atoms of the second surface slab with respect to the constituent atoms of the first surface slab because the joining becomes smoother. When structure optimization is performed by applying constraint conditions to the atomic arrangement within each surface structure, the time required for optimization can be greatly reduced as compared to the case where there are no constraint conditions. It is even more preferable if no constraint is imposed on several layers of atoms near the interface.
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、真空層を生成せずに、積層構造を作成しても良い。積層構造は、量子井戸のシミュレーション等に役立つ。二種類以上の結晶構造を積層しても良い。積層後に真空層を生成すると、表面の膜構造を実現できる。さらに前記積層構造を基本格子として、さらなる積層構造を作成することにより、超格子を作成することも出来る。 For example, a laminated structure may be created without generating a vacuum layer. The stacked structure is useful for quantum well simulation and the like. Two or more kinds of crystal structures may be stacked. When a vacuum layer is generated after lamination, a film structure on the surface can be realized. Furthermore, a superlattice can also be created by creating a further laminated structure using the laminated structure as a basic lattice.
界面構造作成途中の任意の段階で、原子の置換、移動、追加、削除を行っても良い。表面構造作成後に、表面に任意の分子を付加することにより、表面に吸着した分子の構造を実現する、周期スラブモデルを作ることも可能である。 At any stage during the creation of the interface structure, substitution, movement, addition, or deletion of atoms may be performed. It is also possible to create a periodic slab model that realizes the structure of molecules adsorbed on the surface by adding arbitrary molecules to the surface after creating the surface structure.
1 真空層
2 スラブ
3 第一の単位格子から作成した表面スラブ
4 第二の単位格子から作成した表面スラブ
30 単位格子
51 拡張格子を(101)面で分割した際に生じる五面体
52 拡張格子を(101)面で分割した際に生じる五面体
70 表面拡張格子の接合面
71 第一の表面拡張格子
72 第二の表面拡張格子DESCRIPTION OF
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