JP7769965B2 - Plasmonic material exploration method and plasmonic material exploration device - Google Patents
Plasmonic material exploration method and plasmonic material exploration deviceInfo
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Description
本発明は、プラズモニック材料探索方法、およびプラズモニック材料探索装置に関する。 The present invention relates to a plasmonic material exploration method and a plasmonic material exploration device.
プラズモニック材料は、古くはステンドグラス、近年ではバイオケミカルセンサーや、癌などの病変部位の検出、近赤外線遮蔽材料、メタマテリアルなど様々な分野で使用されている。プラズモニック材料は、その特性であるプラズモン共鳴を利用するため、金属や合金、キャリアドープ半導体などの導電材料であることが好ましい。 Plasmonic materials have been used in a variety of fields, from stained glass in the past to biochemical sensors, detection of lesions such as cancer, near-infrared shielding materials, metamaterials, and more recently. Plasmonic materials utilize the plasmon resonance characteristic, so conductive materials such as metals, alloys, and carrier-doped semiconductors are preferred.
また、プラズモン共鳴により入射光に対してどの程度電場が増強されるかも、プラズモニック材料の重要な特性である。 Another important characteristic of plasmonic materials is the extent to which the electric field is enhanced in response to incident light due to plasmon resonance.
このようなプラズモニック材料としては、金、銀などの金属、アンチモンドープ酸化錫、錫ドープ酸化インジウムなどのキャリアをドープした半導体が用いられている。ところが、これらのプラズモニック材料は、貴金属や希少金属を含むため高コストであること、耐候性に課題があることなどの問題がある。そのため、新規プラズモニック材料の発見が望まれている。 Such plasmonic materials include metals such as gold and silver, and carrier-doped semiconductors such as antimony-doped tin oxide and tin-doped indium oxide. However, these plasmonic materials have problems such as high cost due to the inclusion of precious and rare metals, and issues with weather resistance. Therefore, the discovery of new plasmonic materials is desired.
新規プラズモニック材料を探索する方法として、物質の誘電関数を測定し、その誘電関数からプラズモニック材料を判定する方法がある。プラズモン共鳴による電場増強を大きくするためには、物質中でのエネルギーロスが少ない材料、つまり照射した電磁波の吸収が小さい材料が好ましい。物質中でのエネルギーロスは、物質の誘電関数の虚部で記述される。そのため、プラズモニック材料の候補物質に対して誘電関数を測定することで、プラズモニック材料の探索が可能となる。しかし、候補物質すべてに対して分光エリプソメトリーなどの方法で実験的に誘電関数を測定することは多大な労力を必要とする。 One method for searching for new plasmonic materials is to measure the dielectric function of a material and determine whether it is a plasmonic material from that dielectric function. To maximize the electric field enhancement due to plasmon resonance, materials with low energy loss within the material, that is, materials with low absorption of irradiated electromagnetic waves, are preferred. Energy loss within a material is described by the imaginary part of the material's dielectric function. Therefore, measuring the dielectric function of candidate plasmonic materials makes it possible to search for plasmonic materials. However, experimentally measuring the dielectric function of all candidate materials using methods such as spectroscopic ellipsometry requires a great deal of effort.
新規プラズモニック材料を探索する別の方法として、物質の誘電関数を密度汎関数理論(DFT:Density Functional Theory)などの第一原理計算により算出する方法がある。例えば、非特許文献1には、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により高精度で誘電関数を計算できることが示されている。 Another method for exploring new plasmonic materials is to calculate the dielectric function of a material using first-principles calculations such as density functional theory (DFT). For example, Non-Patent Document 1 shows that the dielectric function can be calculated with high accuracy using first-principles calculations using hybrid functionals.
また、非特許文献2には、機械学習を用いることで大量の導電材料の中から短期間でプラズモニック材料を探索できることが示されている。 Furthermore, Non-Patent Document 2 shows that by using machine learning, it is possible to search for plasmonic materials from a large number of conductive materials in a short period of time.
プラズモニック材料を探索する方法として、導電物質の誘電関数を第一原理計算と機械学習から求める方法がある。 One method for exploring plasmonic materials is to determine the dielectric function of conductive materials using first-principles calculations and machine learning.
しかしアンチモンドープ酸化錫、錫ドープ酸化インジウムなどのキャリアをドープした半導体は母物質が非導電物質であるためそもそも候補物質とみなされていない。非導電物質にキャリアをドープする方法として、元素置換、欠陥導入、空孔への元素挿入などが考えられる。しかしながらこれらすべての場合について第一原理計算を行うことは多大な労力を要する。そのため、非導電物質にキャリアをドープした場合プラズモニック材料に適しているか、簡便に探索する方法の開発が望まれていた。 However, semiconductors doped with carriers, such as antimony-doped tin oxide and tin-doped indium oxide, are not considered candidate materials in the first place because the parent material is a non-conductive material. Possible methods for doping carriers into non-conductive materials include element substitution, defect introduction, and element insertion into vacancies. However, performing first-principles calculations for all of these cases requires a great deal of effort. Therefore, there was a need for a simple method to explore whether non-conductive materials doped with carriers are suitable for use as plasmonic materials.
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、母物質として非導電物質を用いた物質の中から、プラズモニック材料を効率的に探索できるプラズモニック材料探索方法を提供することを目的とする。 In view of the problems inherent in the above-mentioned conventional techniques, one aspect of the present invention aims to provide a plasmonic material search method that can efficiently search for plasmonic materials from among materials that use non-conductive materials as parent materials.
上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
第一原理計算により第1非導電物質群の非導電物質の単位格子に対して仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する予測用電磁波吸収算出工程と、
前記第1非導電物質群の非導電物質の情報と、前記予測用電磁波吸収算出工程で算出した前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成する予測モデル生成工程と、
前記予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測する予測工程と、
前記第2非導電物質群の非導電物質のうち、前記予測工程で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択する候補物質選択工程と、
前記候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出する電磁波吸収算出工程と、
前記候補物質のうち、前記電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収が前記閾値以下である非導電物質を選択する選択工程と、を含むプラズモニック材料探索方法を提供する。
In order to solve the above problem, according to one aspect of the present invention,
a predictive electromagnetic wave absorption calculation step of calculating, by first-principles calculation, electromagnetic wave absorption when a unit lattice of a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers;
a prediction model generation step of generating a prediction model using information on the non-conductive material of the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated in the prediction electromagnetic wave absorption calculation step when the non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers;
a prediction step of predicting electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the second non-conductive material group is virtually doped with carriers based on the prediction model;
a candidate material selection step of selecting, from the non-conductive materials of the second non-conductive material group, a non-conductive material whose electromagnetic wave absorption predicted in the prediction step is equal to or less than a preset threshold, as a candidate material;
an electromagnetic wave absorption calculation step of calculating electromagnetic wave absorption when the candidate material is virtually doped with carriers using a hybrid functional;
and a selection step of selecting, from the candidate substances, a non-conductive substance whose electromagnetic wave absorption calculated in the electromagnetic wave absorption calculation step is equal to or less than the threshold value.
本発明の一態様によれば、母物質として非導電物質を用いた物質の中から、プラズモニック材料を効率的に探索できるプラズモニック材料探索方法を提供することができる。 One aspect of the present invention provides a plasmonic material search method that can efficiently search for plasmonic materials from among materials that use non-conductive materials as parent materials.
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。
[プラズモニック材料探索方法]
(1)第1実施形態
以下、本実施形態のプラズモニック材料探索方法について、図1のフローチャート100、図2のフローチャート200を用いながら説明する。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the following embodiments without departing from the scope of the present invention.
[Plasmonic material exploration method]
(1) First Embodiment Hereinafter, a plasmonic material searching method according to this embodiment will be described with reference to a flowchart 100 in FIG. 1 and a flowchart 200 in FIG.
図1は、第1実施形態に係るプラズモニック材料探索方法のフローチャートである。図2は、第1実施形態における予測用電磁波吸収算出工程の一例である。 Figure 1 is a flowchart of the plasmonic material exploration method according to the first embodiment. Figure 2 shows an example of the process for calculating electromagnetic wave absorption for prediction according to the first embodiment.
第1実施形態に係るプラズモニック材料探索方法は、予測用電磁波吸収算出工程、予測モデル生成工程、予測工程、候補物質選択工程、電磁波吸収算出工程、および選択工程を含む。
(予測用電磁波吸収算出工程:S1)
第1実施形態では、まず、予測用電磁波吸収算出工程を実行できる。
The plasmonic material searching method according to the first embodiment includes a predictive electromagnetic wave absorption calculation step, a prediction model generation step, a prediction step, a candidate substance selection step, an electromagnetic wave absorption calculation step, and a selection step.
(Prediction electromagnetic wave absorption calculation step: S1)
In the first embodiment, first, a step of calculating electromagnetic wave absorption for prediction can be executed.
予測用電磁波吸収算出工程は、第一原理計算により第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる(ステップS1)。 The predicted electromagnetic wave absorption calculation step uses first-principles calculations to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is hypothetically doped with carriers (step S1).
ここで、第一原理計算とは、量子力学のシュレディンガー方程式に則して、物質中の電子の運動をコンピュータにより計算する方法を示す。第一原理計算には、例えば、一般化勾配近似、ハイブリッド汎関数等を用いることができる。 Here, first-principles calculation refers to a method of calculating the movement of electrons in a material using a computer in accordance with the Schrödinger equation of quantum mechanics. For first-principles calculation, for example, generalized gradient approximation, hybrid functionals, etc. can be used.
非導電物質とは、バンドギャップが0eVよりも大きい物質を指し、半導体材料等が挙げられる。非導電物質は、特にバンドギャップが3eV±0.2eV以内の範囲にあるワイドギャップ半導体であることが好ましい。 A non-conductive material refers to a material with a band gap greater than 0 eV, such as a semiconductor material. It is particularly preferable for the non-conductive material to be a wide-gap semiconductor, with a band gap within the range of 3 eV ± 0.2 eV.
仮想的キャリアドープは、物質がもつ価電子数を増加させる(電子ドープ)、または減少させる(ホールドープ)ことで行うことができる。仮想的キャリアドープを行うことで、元素置換、欠陥形成、空孔への元素挿入など様々な場合を考慮することなく半導体にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出することができる。より具体的には、仮想的キャリアドープは、例えば仮想的キャリアドープを行う非導電物質の単位格子に対して、予め定めた数の電子を加える、もしくは除去することで行うことができる。 Virtual carrier doping can be performed by increasing (electron doping) or decreasing (hole doping) the number of valence electrons in a material. By performing virtual carrier doping, it is possible to calculate the electromagnetic wave absorption when carriers are doped into a semiconductor without considering various cases such as element substitution, defect formation, and element insertion into vacancies. More specifically, virtual carrier doping can be performed by adding or removing a predetermined number of electrons to or from the unit lattice of a non-conductive material to be virtually doped.
予測用電磁波吸収算出工程ではまず、探索候補となるM個の非導電物質の結晶構造が記憶されているデータベースから、N個の非導電物質の結晶構造を取得できる(図1、ステップS1)。ここで、M、Nはモデル作成に必要な数を示す。また、NはMより小さい2以上の整数を示す。N個の非導電物質は、本実施形態における第1非導電物質群の非導電物質の一例である。すなわち、M個の非導電物質は、本実施形態のプラズモニック材料探索方法を実施する際に、予め用意した非導電物質の物質群を構成する非導電物質である。そして、第1非導電物質群の非導電物質は、上記予め用意した非導電物質の物質群の一部の非導電物質になる。 In the predictive electromagnetic wave absorption calculation process, first, the crystal structures of N non-conductive materials are obtained from a database storing the crystal structures of M non-conductive materials that are search candidates (Figure 1, step S1). Here, M and N represent the numbers required to create a model. Furthermore, N represents an integer of 2 or greater and smaller than M. The N non-conductive materials are examples of non-conductive materials in the first non-conductive material group in this embodiment. In other words, the M non-conductive materials are non-conductive materials that make up the material group of non-conductive materials prepared in advance when carrying out the plasmonic material search method of this embodiment. The non-conductive materials in the first non-conductive material group are non-conductive materials that are part of the material group of non-conductive materials prepared in advance.
なお、後述する第2非導電物質群の非導電物質は、予め用意した非導電物質の物質群のうち、第1非導電物質群の非導電物質を除いた残部の非導電物質になる。 The non-conductive materials in the second non-conductive material group, described below, are the remaining non-conductive materials from the group of non-conductive materials prepared in advance, excluding the non-conductive materials in the first non-conductive material group.
予測用電磁波吸収算出工程は、具体的には例えば、図2に示すフローに従って実施でき、第1算出工程と、第2算出工程とを実施できる。 Specifically, the process for calculating electromagnetic wave absorption for prediction can be carried out, for example, according to the flow shown in Figure 2, and can include a first calculation process and a second calculation process.
第1算出工程では、取得したN個の結晶構造を用いて、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、第1非導電物質群の各非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数εを算出できる(図2、ステップS11)。 In the first calculation step, the dielectric function ε when each non-conductive material in the first group of non-conductive materials is virtually doped with carriers can be calculated using first-principles calculations using hybrid functionals, using the N crystal structures obtained (Figure 2, step S11).
次いで、第2算出工程では、算出した誘電関数εの虚部Im[ε]から、下記式(1)に基づいて、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる(図2、ステップS12)。 Next, in the second calculation step, the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated from the imaginary part Im[ε] of the calculated dielectric function ε based on the following equation (1) (Figure 2, step S12).
電磁波吸収=∫Im[ε]dλ (1)
ここで、電磁波吸収は、誘電関数の虚部を波長で積分した値を示す。すなわち、誘電関数εは波長λに依存した量である。波長の積分範囲は、目的に応じて選ぶことができる。例えば、可視光の波長領域でプラズモニック材料として使用したい場合、積分範囲を380nm~780nmとすることができる。
(予測モデル生成工程:S2)
次に、予測モデル生成工程を実行できる。予測モデル生成工程では、第1非導電物質群の非導電物質の情報と、予測用電磁波吸収算出工程で算出した第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成する(図1、ステップS2)。ここで、生成した予測モデルは、非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測するモデルである。
Electromagnetic wave absorption = ∫Im[ε]dλ (1)
Here, electromagnetic wave absorption refers to the value obtained by integrating the imaginary part of the dielectric function with respect to wavelength. In other words, the dielectric function ε is a quantity that depends on the wavelength λ. The wavelength integration range can be selected depending on the purpose. For example, if a plasmonic material is intended to be used in the visible light wavelength range, the integration range can be set to 380 nm to 780 nm.
(Prediction model generation step: S2)
Next, a prediction model generation step can be executed. In the prediction model generation step, a prediction model is generated using information on the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated in the predictive electromagnetic wave absorption calculation step when the non-conductive materials in the first non-conductive material group are virtually doped with carriers (FIG. 1, step S2). Here, the generated prediction model is a model that predicts the electromagnetic wave absorption when the non-conductive material is virtually doped with carriers.
予測モデルの生成に用いられる非導電物質の情報は、特に制限されるものではない。例えば、非導電物質に含まれる各元素のある物性値の加重平均値、最大値、最小値、平均値、結晶の動径分布関数、CGCNN(Crystal Graph Convolutional Neural Network)などを用いることができる。 The information on non-conductive materials used to generate the prediction model is not particularly limited. For example, the weighted average, maximum, minimum, or average value of certain physical property values of each element contained in the non-conductive material, the radial distribution function of the crystal, or CGCNN (Crystal Graph Convolutional Neural Network) can be used.
予測モデルを生成する手法は、特に制限されるものではない。例えば、第1非導電物質群の非導電物質の情報を説明変数とし、かつ予測用電磁波吸収算出工程で算出した第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を目的変数として予測モデルを作成できる。このような予測モデルの作成には、例えば、ニューラルネットワークやガウス過程回帰を用いることができる。
(予測工程:S3)
次に、予測工程を実行できる。予測工程では、予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測する(図1、ステップS3)。ここで、第2非導電物質群の非導電物質は、上述のM個の非導電物質から、第1非導電物質群を構成するN個の非導電物質を除いた非導電物質(M-N個の非導電物質)に対応する。従って、予測工程では、予測モデル生成工程で生成した予測モデルを用いて、M-N個の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測することになる。
(候補物質選択工程:S4)
次に、候補物質選択工程を実行できる。候補物質選択工程では、第2非導電物質群の非導電物質のうち、予測工程で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択する(図1、ステップS4)。候補物質選択工程では、具体的には、予測工程で予測したM-N個の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収が閾値δ以下であるかを判定する。
The method for generating the prediction model is not particularly limited. For example, a prediction model can be generated using information about the non-conductive material in the first non-conductive material group as an explanatory variable and the electromagnetic wave absorption calculated in the step of calculating the predicted electromagnetic wave absorption when the non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers as a response variable. For example, neural networks or Gaussian process regression can be used to generate such a prediction model.
(Prediction step: S3)
Next, a prediction step can be performed. In the prediction step, electromagnetic wave absorption when non-conductive materials in the second non-conductive material group are virtually doped with carriers is predicted based on the prediction model ( FIG. 1 , step S3). Here, the non-conductive materials in the second non-conductive material group correspond to the non-conductive materials (M−N non-conductive materials) obtained by subtracting the N non-conductive materials constituting the first non-conductive material group from the M non-conductive materials described above. Therefore, in the prediction step, the prediction model generated in the prediction model generation step is used to predict electromagnetic wave absorption when M−N non-conductive materials are virtually doped with carriers.
(Candidate substance selection step: S4)
Next, a candidate material selection step can be performed. In the candidate material selection step, non-conductive materials in the second non-conductive material group whose electromagnetic wave absorption predicted in the prediction step is equal to or less than a preset threshold are selected as candidate materials (FIG. 1, step S4). Specifically, in the candidate material selection step, it is determined whether the electromagnetic wave absorption when the M-N non-conductive materials predicted in the prediction step are virtually doped with carriers is equal to or less than a threshold δ.
なお、閾値δの値は、条件に応じて適宜変更して用いることができるが、好ましいプラズモニック材料を考慮して、例えばδ=3.5と定められる。 The threshold value δ can be changed as appropriate depending on the conditions, but is set to, for example, δ = 3.5, taking into account preferred plasmonic materials.
候補物質選択工程において、予測した電磁波吸収が閾値δ以下の場合は、後述する電磁波吸収算出工程(図1、ステップS5)へ進む。一方、予測した電磁波吸収が閾値δを超えた場合は、予測工程(図1、ステップS3)に戻って、該予測工程、および候補物質選択工程を繰り返し実施できる(図1、ステップS3~S4)。
(電磁波吸収算出工程:S5)
次に、電磁波吸収算出工程を実行する。電磁波吸収算出工程では、候補物質選択工程で選択された候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出する(図1、ステップS5)。具体的には、候補物質選択工程で選択した候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を、ハイブリッド汎関数による第一原理計算により算出する。そして、算出した誘電関数εの虚部Im[ε]から候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する。
In the candidate substance selection step, if the predicted electromagnetic wave absorption is equal to or less than the threshold δ, the process proceeds to the electromagnetic wave absorption calculation step (FIG. 1, step S5) described below. On the other hand, if the predicted electromagnetic wave absorption exceeds the threshold δ, the process returns to the prediction step (FIG. 1, step S3), and the prediction step and the candidate substance selection step can be repeated (FIG. 1, steps S3 and S4).
(Electromagnetic wave absorption calculation step: S5)
Next, an electromagnetic wave absorption calculation step is performed. In the electromagnetic wave absorption calculation step, the electromagnetic wave absorption when the candidate substance selected in the candidate substance selection step is virtually doped with carriers is calculated using a hybrid functional (FIG. 1, step S5). Specifically, the dielectric function when the candidate substance selected in the candidate substance selection step is virtually doped with carriers is calculated by first-principles calculation using the hybrid functional. Then, the electromagnetic wave absorption when the candidate substance is virtually doped with carriers is calculated from the imaginary part Im[ε] of the calculated dielectric function ε.
なお、ハイブリッド汎関数による第一原理計算により候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出する方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、上述の第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出する場合と同様にして算出することができる(図2、ステップS11参照)。 The method for calculating the dielectric function when a candidate substance is virtually doped with carriers using first-principles calculations based on hybrid functionals is not particularly limited, and any method can be used. For example, the calculation can be performed in the same manner as when the dielectric function when a non-conductive substance in the first non-conductive substance group described above is virtually doped with carriers (see Figure 2, step S11).
また、誘電関数の虚部から候補物質の電磁波吸収を算出する方法についても特に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、上述の第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する場合と同様にして算出することができる(図2、ステップS12参照)。
(選択工程:S6)
次に、選択工程を実行できる。選択工程では、候補物質のうち、電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収が閾値以下である非導電物質を選択できる。電磁波吸収が閾値以下である非導電物質を選択する方法は特に限定されないが、例えば、上述の候補物質選択工程で候補物質を選択する場合と同様に算出することができる(図1、ステップS4参照)。
Furthermore, the method for calculating the electromagnetic wave absorption of the candidate material from the imaginary part of the dielectric function is not particularly limited, and any method can be used. For example, the calculation can be performed in the same manner as in the case of calculating the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is hypothetically doped with carriers (see FIG. 2 , step S12).
(Selection process: S6)
Next, a selection step can be performed. In the selection step, non-conductive substances whose electromagnetic wave absorption calculated in the electromagnetic wave absorption calculation step is equal to or less than a threshold can be selected from the candidate substances. The method for selecting non-conductive substances whose electromagnetic wave absorption is equal to or less than a threshold is not particularly limited, but for example, the calculation can be performed in the same manner as when selecting candidate substances in the candidate substance selection step described above (see FIG. 1 , step S4).
選択工程において、算出した電磁波吸収が閾値δ以下の非導電物質については、好ましいプラズモニック材料として記録できる。この際、例えば選択した非導電物質について、該非導電物質の結晶構造や、仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数、電磁波吸収を出力し、記録することもできる。 In the selection process, non-conductive materials whose calculated electromagnetic wave absorption is below the threshold value δ can be recorded as preferred plasmonic materials. At this time, for example, the crystal structure of the selected non-conductive material, its dielectric function when virtually doped with carriers, and its electromagnetic wave absorption can also be output and recorded.
一方、選択工程に供した候補物質の電磁波吸収が閾値δを超える場合は、予測工程(図1、ステップS3)に戻って、該予測工程、候補物質選択工程、電磁波吸収算出工程、および選択工程を繰り返すことができる(図1、ステップS3~S6)。 On the other hand, if the electromagnetic wave absorption of the candidate substance subjected to the selection process exceeds the threshold value δ, the process can return to the prediction process (Figure 1, step S3) and repeat the prediction process, candidate substance selection process, electromagnetic wave absorption calculation process, and selection process (Figure 1, steps S3 to S6).
そして、上記予測工程、候補物質選択工程、電磁波吸収算出工程、および選択工程(ステップS3~S6)をM-N個の物質すべてに対して実施した場合は、プラズモニック材料の探索を終了する。一方、上記ステップS3~S6がM-N個の物質すべてに対して実施されていない場合は、ステップS3に戻って、以降の各ステップを繰り返すことができる(図1、ステップS3~S6)。 Then, if the above prediction process, candidate material selection process, electromagnetic wave absorption calculation process, and selection process (steps S3 to S6) have been performed for all M-N substances, the search for plasmonic materials ends. On the other hand, if the above steps S3 to S6 have not been performed for all M-N substances, the process returns to step S3 and the subsequent steps can be repeated (Figure 1, steps S3 to S6).
本実施形態のプラズモニック材料探索方法では、上記の予測用電磁波吸収算出工程、予測モデル生成工程、予測工程、候補物質選択工程、電磁波吸収算出工程、および選択工程(ステップS1~S6)の各工程を実行することにより、プラズモニック材料を多数の非導電候補物質の中から短期間で探索することが可能となる。そのため、本実施形態によれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料を効率的に探索することができる。 In the plasmonic material search method of this embodiment, by performing the above-mentioned predictive electromagnetic wave absorption calculation process, prediction model generation process, prediction process, candidate substance selection process, electromagnetic wave absorption calculation process, and selection process (steps S1 to S6), it becomes possible to search for plasmonic materials from a large number of non-conductive candidate substances in a short period of time. Therefore, according to this embodiment, it is possible to efficiently search for plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance.
また、本実施形態のプラズモニック材料探索方法では、上述のように、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算で得られた非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数の虚部から算出することで(図2、ステップS11、ステップS12)、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料を多数の候補物質の中から高い精度で探索することができる。
(2)第2実施形態
以下、本実施形態のプラズモニック材料探索方法について、図3のフローチャート300を用いながら説明する。
Furthermore, in the plasmonic material exploration method of this embodiment, as described above, the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers is calculated from the imaginary part of the dielectric function when a non-conductive material obtained by first-principles calculation using a hybrid functional is virtually doped with carriers ( FIG. 2 , steps S11 and S12), thereby making it possible to search for plasmonic materials whose parent material is a non-conductive material with high accuracy from among a large number of candidate materials.
(2) Second Embodiment Hereinafter, a plasmonic material searching method according to this embodiment will be described with reference to a flowchart 300 in FIG.
図3は、第2実施形態に係るプラズモニック材料探索方法のフローチャートである。 Figure 3 is a flowchart of the plasmonic material exploration method according to the second embodiment.
第2実施形態に係るプラズモニック材料探索方法では、第1実施形態と共通する部分については、説明を省略する。第2実施形態では、予測用電磁波吸収算出工程(S1)が、第1予測用電磁波吸収算出工程と第2予測用電磁波吸収算出工程とを有することができる。 In the plasmonic material exploration method according to the second embodiment, explanations of parts common to the first embodiment will be omitted. In the second embodiment, the electromagnetic wave absorption calculation step (S1) can include a first electromagnetic wave absorption calculation step and a second electromagnetic wave absorption calculation step.
また、第2実施形態に係るプラズモニック材料探索方法では、予測モデル生成工程(S2)が、第1予測モデル生成工程と、第2予測モデル生成工程とを有することができる。
(第1予測用電磁波吸収算出工程:S21)
予測用電磁波吸収算出工程の第1予測用電磁波吸収算出工程では、一般化勾配近似を用いて、第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる(図3、ステップS21)。第3非導電物質群の非導電物質は、探索候補となるM個の非導電物質中のL個の非導電物質を用いることができる。Lは後述する第1予測モデル生成工程において、モデル生成に必要な数を示す。また、LはNより大きく、かつ2以上の整数を示し、N個の第1非導電物質群の非導電物質は第3非導電物質群に包含される。
In the plasmonic material exploration method according to the second embodiment, the prediction model generation step (S2) can include a first prediction model generation step and a second prediction model generation step.
(First predictive electromagnetic wave absorption calculation step: S21)
In the first electromagnetic wave absorption calculation step of the electromagnetic wave absorption calculation step, the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the third non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated using a generalized gradient approximation ( FIG. 3 , step S21). The non-conductive materials in the third non-conductive material group can be L non-conductive materials among the M non-conductive materials that are search candidates. L represents the number required for model generation in the first prediction model generation step described below. Furthermore, L is greater than N and represents an integer equal to or greater than 2, and the N non-conductive materials in the first non-conductive material group are included in the third non-conductive material group.
一般化勾配近似は、特に限定されず、例えば、PBE汎関数(交換相関汎関数)等を用いることができる。 The generalized gradient approximation is not particularly limited, and for example, the PBE functional (exchange-correlation functional) can be used.
第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収の算出に当たっては、既述の第1実施形態で挙げたハイブリッド汎関数に代えて一般化勾配近似を用いた第一原理計算により第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数の虚部を算出できる。そして、係る誘電関数の虚部から、第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出することができる(図2、ステップS11、ステップS12参照)。
(第2予測用電磁波吸収算出工程:S22)
予測用電磁波吸収算出工程の第2予測用電磁波吸収算出工程では、ハイブリッド汎関数を用いて、第3非導電物質群の非導電物質の一部である、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる(図3、ステップS22)。
In calculating the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the third non-conductive material group is virtually doped with carriers, the imaginary part of the dielectric function when a non-conductive material of the third non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated by first-principles calculation using the generalized gradient approximation instead of the hybrid functional described in the first embodiment. Then, from the imaginary part of the dielectric function, the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the third non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated (see FIG. 2 , steps S11 and S12).
(Second predictive electromagnetic wave absorption calculation step: S22)
In the second predicted electromagnetic wave absorption calculation step of the predicted electromagnetic wave absorption calculation step, a hybrid functional can be used to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group, which is part of a non-conductive material of the third non-conductive material group, is virtually doped with carriers (FIG. 3, step S22).
第1非導電物質群の非導電物質は、第1の実施形態の場合と同様に、既述のM個の非導電物質から取得したN個の非導電物質に対応し、第3非導電物質群を構成する非導電物質の一部に当たる。 As in the first embodiment, the non-conductive materials in the first group of non-conductive materials correspond to the N non-conductive materials obtained from the M non-conductive materials described above, and are part of the non-conductive materials that make up the third group of non-conductive materials.
ハイブリッド汎関数は、特に限定されず、例えば、HSE06汎関数等を用いることができる。 The hybrid functional is not particularly limited, and for example, the HSE06 functional can be used.
第2予測用電磁波吸収算出工程では、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出できる。 In the second predictive electromagnetic wave absorption calculation step, the dielectric function when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated by first-principles calculation using a hybrid functional.
そして、誘電関数の虚部から、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 Then, from the imaginary part of the dielectric function, the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated.
すなわち、第2予測用電磁波吸収算出工程における、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収の算出は、第1実施形態と同様に、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算で得られた第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数の虚部から算出できる(図2、ステップS11、ステップS12参照)。 In other words, in the second electromagnetic wave absorption calculation step for prediction, the calculation of the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material from the first non-conductive material group is virtually doped with carriers can be calculated from the imaginary part of the dielectric function when a non-conductive material from the first non-conductive material group is virtually doped with carriers, as obtained by first-principles calculations using hybrid functionals, as in the first embodiment (see Figure 2, steps S11 and S12).
また、第2実施形態に係るプラズモニック材料探索方法では、予測モデル生成工程が、第1予測モデル生成工程と、第2予測モデル生成工程とを有することができる。
(第1予測モデル生成工程:S23)
予測モデル生成工程の第1予測モデル生成工程では、第3非導電物質群の非導電物質の情報を説明変数とし、かつ第1予測用電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収を目的変数とする第1予測モデルを生成できる。
In the plasmonic material exploration method according to the second embodiment, the prediction model generation step can include a first prediction model generation step and a second prediction model generation step.
(First prediction model generation step: S23)
In the first prediction model generation step of the prediction model generation process, a first prediction model can be generated in which information about the non-conductive materials in the third non-conductive material group is used as an explanatory variable and the electromagnetic wave absorption calculated in the first prediction electromagnetic wave absorption calculation step is used as a target variable.
第1予測モデルの生成に用いられる第3非導電物質群の非導電物質の情報は、特に制限されず、例えば、第1実施形態の場合と同様に、第3非導電物質群の非導電物質に含まれる各元素のある物性値の加重平均値等を用いることができる。また、第1予測モデルを生成する手法は、特に制限されず、例えば、第1実施形態と同様に、ニューラルネットワークやガウス過程回帰を用いることができる。特に、予測モデルを特に高精度で生成できることから、第1予測モデル生成工程では、ニューラルネットワークを用いて、第1予測モデルを生成することが好ましい。
(第2予測モデル生成工程:S24)
予測用電磁波吸収算出工程の第2予測モデル生成工程では、第1予測モデルを、第1非導電物質群の非導電物質の情報、および第2予測用電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収を用いて、転移学習により第2予測モデルに転移できる(図3、ステップS22)。
The information on the non-conductive materials in the third non-conductive material group used to generate the first prediction model is not particularly limited, and for example, a weighted average value of certain physical property values of each element contained in the non-conductive materials in the third non-conductive material group can be used, as in the first embodiment. The method for generating the first prediction model is also not particularly limited, and for example, a neural network or Gaussian process regression can be used, as in the first embodiment. In particular, it is preferable to generate the first prediction model using a neural network in the first prediction model generation step, since this allows for generation of a prediction model with particularly high accuracy.
(Second prediction model generation step: S24)
In the second prediction model generation step of the prediction electromagnetic wave absorption calculation step, the first prediction model can be transferred to the second prediction model by transfer learning using information on the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated in the second prediction electromagnetic wave absorption calculation step (Figure 3, step S22).
第1非導電物質群の非導電物質は、既述のN個の非導電物質に対応する。また、第2予測モデルの生成に用いられる非導電物質の情報は、特に制限されず、例えば、第1実施形態の場合と同様に、第1非導電物質群の非導電物質に含まれる各元素のある物性値の加重平均値等を用いることができる。 The non-conductive materials in the first group of non-conductive materials correspond to the N non-conductive materials described above. Furthermore, the information on the non-conductive materials used to generate the second prediction model is not particularly limited; for example, as in the first embodiment, a weighted average value of certain physical property values of each element contained in the non-conductive materials in the first group of non-conductive materials can be used.
ここで、転移学習は、データが多数存在し確度の高い予測モデルの生成が可能なカテゴリから、データが少数しかなく確度の高い予測モデルの生成が困難なカテゴリへ予測モデルを転移することで、データが少数しかないカテゴリで確度の高いモデルを生成する手法の総称である。 Here, transfer learning is a general term for a technique for generating highly accurate models in categories with little data by transferring a predictive model from a category where there is a large amount of data and it is possible to generate a highly accurate predictive model to a category where there is little data and it is difficult to generate a highly accurate predictive model.
本実施形態では、一般化勾配近似として例えばPBE汎関数を用いて生成した第1予測モデルを転移させ、ハイブリッド汎関数を用いて生成した第2予測モデルを作成できる。PBE汎関数により算出した誘電関数は、実測値との一致はよくないが、計算時間はハイブリッド汎関数の数~数十分の一であるため、確度の高い予測モデルを作成するための十分な量のデータを短期間で作成することが可能である。 In this embodiment, a first prediction model generated using, for example, a PBE functional as a generalized gradient approximation can be transferred to create a second prediction model generated using a hybrid functional. The dielectric function calculated using the PBE functional does not closely match the measured value, but the calculation time is several tenths to several tens of times shorter than that of the hybrid functional, making it possible to generate a sufficient amount of data in a short period of time to create a highly accurate prediction model.
転移する手法は、例えば第1予測モデルをニューラルネットワークにした場合、非導電物質の情報を説明変数とし、かつ例えばPBE汎関数により算出した非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を目的変数とする学習済みモデルのニューラルネットワークを、上述のハイブリッド汎関数を用いて生成した第2予測モデルに転移する。 For example, if the first prediction model is a neural network, the transfer method involves transferring a trained neural network model with information about the non-conductive material as the explanatory variable and the electromagnetic wave absorption when the non-conductive material is virtually doped with carriers, calculated using a PBE functional, as the objective variable, to the second prediction model generated using the hybrid functional described above.
具体的には、図4に示すように、ニューラルネットワーク10において、隠れ層11のパラメータ(層の数やノード数、重み)を固定し、最後の隠れ層12から出力される値をインプットとする予測器(図示せず)を追加する。この予測器には、例えば線形回帰、決定木回帰、Lasso回帰、Ridge回帰、Elastic-Net回帰、勾配ブースト回帰、ランダムフォレスト回帰などを用いることができる。予測器の学習には、ハイブリッド汎関数により算出した非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を使用できる。 Specifically, as shown in Figure 4, in the neural network 10, the parameters of the hidden layer 11 (number of layers, number of nodes, weights) are fixed, and a predictor (not shown) is added that uses as input the values output from the final hidden layer 12. This predictor can use, for example, linear regression, decision tree regression, Lasso regression, Ridge regression, Elastic-Net regression, gradient boosting regression, or random forest regression. The electromagnetic wave absorption when a non-conductive material is virtually doped with carriers, calculated using a hybrid functional, can be used to train the predictor.
また、第1予測モデルをガウス過程回帰にした場合は、コクリギング(Co-kriging)により第2予測モデルに転移し、ハイブリッド汎関数により算出した電磁波吸収で学習する。 Furthermore, if the first prediction model is Gaussian process regression, it is transferred to the second prediction model using co-kriging and trained using electromagnetic wave absorption calculated using a hybrid functional.
このようにして得られた予測モデル(第2予測モデル)を用いて、以下、第1実施形態と同様に、予測工程(図1、ステップS3)に進んで、該予測工程、候補物質選択工程、電磁波吸収算出工程、および選択工程を実行し、必要に応じてこれらの工程を繰り返すことができる(図1、ステップS3~S6参照)。 Using the prediction model (second prediction model) obtained in this way, the prediction process (Figure 1, step S3) is then carried out, as in the first embodiment, and the prediction process, candidate substance selection process, electromagnetic wave absorption calculation process, and selection process are executed, and these processes can be repeated as necessary (see Figure 1, steps S3 to S6).
第2実施形態に係るプラズモニック材料探索方法では、上述のように予測モデルを転移学習により作成することで、プラズモニック材料の探索に利用できる予測モデルを少ない非導電物質から生成することができる。そのため、本実施形態のプラズモニック材料探索方法によれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料をより短期間で探索することができる。
[プラズモニック材料探索装置]
本実施形態のプラズモニック材料探索装置は、以下の予測用電磁波吸収算出部と、予測モデル生成部と、予測部と、候補物質選択部と、電磁波吸収算出部と、選択部と、を有することができる。
In the plasmonic material discovery method according to the second embodiment, by creating a prediction model by transfer learning as described above, a prediction model that can be used for the discovery of plasmonic materials can be generated from a small number of non-conductive substances. Therefore, the plasmonic material discovery method according to this embodiment can discover plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance in a shorter period of time.
[Plasmonic material exploration device]
The plasmonic material searching apparatus of this embodiment can have the following predictive electromagnetic wave absorption calculator, predictive model generator, predictor, candidate substance selector, electromagnetic wave absorption calculator, and selector.
予測用電磁波吸収算出部は、第一原理計算により第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 The predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can use first-principles calculations to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is hypothetically doped with carriers.
予測モデル生成部は、第1非導電物質群の非導電物質の情報と、予測用電磁波吸収算出部で算出した第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成できる。 The prediction model generation unit can generate a prediction model using information about the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated by the prediction electromagnetic wave absorption calculation unit when the non-conductive materials in the first non-conductive material group are virtually doped with carriers.
予測部は、予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測できる。 The prediction unit can predict the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the second non-conductive material group is virtually doped with carriers based on the prediction model.
候補物質選択部は、第2非導電物質群の非導電物質のうち、予測部で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択できる。 The candidate material selection unit can select as candidate materials non-conductive materials from the second group of non-conductive materials whose electromagnetic wave absorption predicted by the prediction unit is below a preset threshold.
電磁波吸収算出部は、候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出できる。 The electromagnetic wave absorption calculation unit can use hybrid functionals to calculate the electromagnetic wave absorption when a candidate material is virtually doped with carriers.
選択部は、候補物質のうち、電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収が前記閾値以下である非導電物質を選択できる。 The selection unit can select, from among the candidate materials, non-conductive materials whose electromagnetic wave absorption calculated by the electromagnetic wave absorption calculation unit is below the threshold.
図5に示したハードウェア構成図に示すように、本実施形態のプラズモニック材料探索装置50は、例えば、情報処理装置(コンピュータ)で構成され、物理的には、演算処理部であるCPU(Central Processing Unit:プロセッサ)51と、主記憶装置であるRAM(Random Access Memory)52やROM(Read Only Memory)53と、補助記憶装置54と、入出力インタフェース55と、出力装置である表示装置56等を含むコンピュータシステムとして構成することができる。これらは、バス57で相互に接続されている。なお、補助記憶装置54や表示装置56は、外部に設けられていてもよい。 As shown in the hardware configuration diagram in Figure 5, the plasmonic material exploration device 50 of this embodiment is composed of, for example, an information processing device (computer) and can be physically configured as a computer system including a CPU (Central Processing Unit: Processor) 51, which is an arithmetic processing unit, a RAM (Random Access Memory) 52 and a ROM (Read Only Memory) 53, which are main storage devices, an auxiliary storage device 54, an input/output interface 55, and a display device 56, which is an output device. These are interconnected by a bus 57. The auxiliary storage device 54 and the display device 56 may also be provided externally.
CPU51は、プラズモニック材料探索装置50の全体の動作を制御し、各種の情報処理を行う。CPU51は、ROM53または補助記憶装置54に格納された、例えば既述のプラズモニック材料探索方法や、プログラム(プラズモニック材料探索プログラム)を実行して、誘電関数や、電磁波吸収の算出や、予測モデルの生成、該予測モデルを用いた電磁波吸収の予測等を行うことができる。 The CPU 51 controls the overall operation of the plasmonic material exploration device 50 and performs various information processing. The CPU 51 executes, for example, the plasmonic material exploration method or a program (plasmonic material exploration program) stored in the ROM 53 or the auxiliary storage device 54, to calculate the dielectric function and electromagnetic wave absorption, generate a prediction model, and predict electromagnetic wave absorption using the prediction model.
RAM52は、CPU51のワークエリアとして用いられ、主要な制御パラメータや情報を記憶する不揮発RAMを含んでもよい。 RAM 52 is used as a work area for CPU 51 and may include non-volatile RAM for storing key control parameters and information.
ROM53は、プログラム(プラズモニック材料探索プログラム)等を記憶することができる。 ROM 53 can store programs (plasmonic material search programs) and the like.
補助記憶装置54は、SSD(Solid State Drive)や、HDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置であり、プラズモニック材料探索装置の動作に必要な各種のデータ、ファイル等を格納できる。具体的には例えば非導電物質の結晶構造のデータ等を格納しておくことができる。 The auxiliary storage device 54 is a storage device such as an SSD (Solid State Drive) or HDD (Hard Disk Drive), and can store various data, files, etc. necessary for the operation of the plasmonic materials exploration device. Specifically, it can store data on the crystal structure of non-conductive materials, for example.
入出力インタフェース55は、タッチパネル、キーボード、表示画面、操作ボタン等のユーザインタフェースと、外部のデータ収録サーバ等からの情報を取り込み、他の電子機器に解析情報を出力する通信インタフェースとの双方を含む。 The input/output interface 55 includes both a user interface such as a touch panel, keyboard, display screen, and operation buttons, and a communication interface that imports information from external data recording servers and outputs analysis information to other electronic devices.
表示装置56は、モニタディスプレイ等である。表示装置56では、解析画面が表示され、入出力インタフェース55を介した入出力操作に応じて画面が更新される。 The display device 56 is a monitor display or the like. The display device 56 displays an analysis screen, and the screen is updated in response to input/output operations via the input/output interface 55.
図5に示したプラズモニック材料探索装置50の各機能は、例えばRAM52やROM53等の主記憶装置または補助記憶装置54からプログラム(プラズモニック材料探索プログラム)等を読み込ませ、CPU51により実行することにより、RAM52等におけるデータの読み出しおよび書き込みを行うと共に、入出力インタフェース55および表示装置56を動作させることで実現できる。 The functions of the plasmonic material exploration device 50 shown in Figure 5 can be realized by loading a program (plasmonic material exploration program) from a main storage device such as RAM 52 or ROM 53 or an auxiliary storage device 54, and executing it with the CPU 51, thereby reading and writing data from RAM 52, etc., and operating the input/output interface 55 and display device 56.
なお、プラズモニック材料探索装置50は、以下に説明する各部について、個別のCPUと、これに付帯する装置により構成し、各部間をデータの転送可能なケーブル等により接続した構成とすることもできる。 Note that the plasmonic material exploration device 50 can also be configured so that each of the components described below is configured with an individual CPU and associated devices, with each component connected by a cable or other means capable of transferring data.
図6に、本実施形態のプラズモニック材料探索装置50の機能ブロック図を示す。 Figure 6 shows a functional block diagram of the plasmonic material exploration device 50 of this embodiment.
図6に示すように、プラズモニック材料探索装置50は、受付部61、処理装置62、出力部63を有することができる。これらの各部は、プラズモニック材料探索装置50が有するCPU、記憶装置、各種インタフェース等を備えたパーソナルコンピュータ等の情報処理装置において、CPUが予め記憶されている例えば既述のプラズモニック材料探索方法や、プログラムを実行することでソフトウェアおよびハードウェアが協働して実現される。 As shown in FIG. 6 , the plasmonic material exploration device 50 can have a reception unit 61, a processing unit 62, and an output unit 63. These units are realized by software and hardware working together in an information processing device such as a personal computer equipped with a CPU, storage device, various interfaces, etc., which the plasmonic material exploration device 50 has, by the CPU executing a pre-stored program, such as the plasmonic material exploration method described above, or the like.
各部の構成について以下に説明する。
(A)受付部
受付部61は、処理装置62で実行される処理に関係するユーザーからのコマンドやデータの入力を受け付ける。受付部61としてはユーザーが操作を行い、コマンド等を入力するキーボードやマウス、ネットワークを介して入力を行う通信装置、CD-ROM、DVD-ROM等の各種記憶媒体から入力を行う読み取り装置などが挙げられる。
(B)処理装置
処理装置62は、予測用電磁波吸収算出部621、予測モデル生成部622、予測部623、候補物質選択部624、電磁波吸収算出部625、選択部626を有することができる。なお、処理装置は、必要に応じてさらに任意の部材を有することもできる。
(B-1)予測用電磁波吸収算出部
予測用電磁波吸収算出部621では、第一原理計算により第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。すなわち、既述の予測用電磁波吸収算出工程を実施することができる。
The configuration of each part will be explained below.
(A) Reception Unit The reception unit 61 receives input of commands and data from the user related to the processing executed by the processing device 62. Examples of the reception unit 61 include a keyboard or mouse operated by the user to input commands, a communication device for inputting data via a network, and a reading device for inputting data from various storage media such as a CD-ROM or DVD-ROM.
(B) Processing Device The processing device 62 can have a predictive electromagnetic wave absorption calculation unit 621, a prediction model generation unit 622, a prediction unit 623, a candidate substance selection unit 624, an electromagnetic wave absorption calculation unit 625, and a selection unit 626. The processing device can also have any other components as necessary.
(B-1) Prediction Electromagnetic Wave Absorption Calculation Unit The prediction electromagnetic wave absorption calculation unit 621 can calculate, by first-principles calculation, the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers. That is, the prediction electromagnetic wave absorption calculation step described above can be performed.
なお、予測用電磁波吸収算出部は、第1算出部と、第2算出部とを有する構成とすることもできる。 The prediction electromagnetic wave absorption calculation unit may also be configured to include a first calculation unit and a second calculation unit.
この場合、第1算出部は、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出できる。第2算出部は、第1算出部が算出した誘電関数の虚部から第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 In this case, the first calculation unit can calculate the dielectric function when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers, through first-principles calculations using hybrid functionals. The second calculation unit can calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers, from the imaginary part of the dielectric function calculated by the first calculation unit.
また、予測用電磁波吸収算出部は、第1予測用電磁波吸収算出部と、第2予測用電磁波吸収算出部とを有する構成とすることもできる。 The electromagnetic wave absorption prediction calculator may also be configured to include a first electromagnetic wave absorption prediction calculator and a second electromagnetic wave absorption prediction calculator.
この場合、第1予測用電磁波吸収算出部は、一般化勾配近似を用いて、第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 In this case, the first predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can use the generalized gradient approximation to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the third non-conductive material group is virtually doped with carriers.
また、第2予測用電磁波吸収算出部は、ハイブリッド汎関数を用いて、第3非導電物質群の非導電物質の一部である、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 In addition, the second predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can use a hybrid functional to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material from the first non-conductive material group, which is part of a non-conductive material from the third non-conductive material group, is virtually doped with carriers.
なお、第2予測用電磁波吸収算出部は、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出できる。 The second predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can calculate the dielectric function when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers by first-principles calculations using hybrid functionals.
そして、誘電関数の虚部から、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。
(B-2)予測モデル生成部
予測モデル生成部622では、第1非導電物質群の非導電物質の情報と、予測用電磁波吸収算出部で算出した第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成できる。すなわち、既述の予測モデル生成工程を実施できる。
Then, from the imaginary part of the dielectric function, it is possible to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers.
(B-2) Prediction Model Generator The prediction model generator 622 can generate a prediction model using information on the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated by the prediction electromagnetic wave absorption calculator when the non-conductive materials in the first non-conductive material group are virtually doped with carriers. In other words, the prediction model generator 622 can perform the prediction model generation process described above.
なお、予測用電磁波吸収算出部が第1予測用電磁波吸収算出部と、第2予測用電磁波吸収算出部とを有する場合、予測モデル生成部は、第1予測モデル生成部と、第2予測モデル生成部とを有することもできる。 In addition, if the prediction electromagnetic wave absorption calculation unit has a first prediction electromagnetic wave absorption calculation unit and a second prediction electromagnetic wave absorption calculation unit, the prediction model generation unit may also have a first prediction model generation unit and a second prediction model generation unit.
第1予測モデル生成部は、第3非導電物質群の非導電物質の情報を説明変数とし、かつ第1予測用電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収を目的変数とする第1予測モデルを生成できる。 The first prediction model generation unit can generate a first prediction model using information about the non-conductive materials in the third non-conductive material group as an explanatory variable and the electromagnetic wave absorption calculated by the first prediction electromagnetic wave absorption calculation unit as a target variable.
第2予測モデル生成部は、第1予測モデルを、第1非導電物質群の非導電物質の情報、および第2予測用電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収を用いて、転移学習により第2予測モデルに転移できる。この場合、後述する予測部では、予測モデルとして第2予測モデルを用いることができる。
(B-3)予測部
予測部623では、予測モデル生成部622で生成した予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測できる。すなわち、既述の予測工程を実施できる。
(B-4)候補物質選択部
候補物質選択部624では、第2非導電物質群の非導電物質のうち、予測部で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択できる。すなわち、既述の候補物質選択工程を実施できる。
(B-5)電磁波吸収算出部
電磁波吸収算出部625では、候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出できる。すなわち、既述の電磁波吸収算出工程を実施できる。
(B-6)選択部
選択部626では、候補物質のうち、電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収が閾値以下である非導電物質を選択できる。すなわち、既述の選択工程を実施できる。
(C)出力部
出力部63は、例えばディスプレイ等を有することができる。選択部626で得られた探索結果を出力部63に出力できる。出力する探索結果の内容は特に限定されないが、例えば出力部63に選択部626で選択した非導電物質について、該非導電物質の結晶構造や、仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数、電磁波吸収を出力し、表示することもできる。
The second prediction model generation unit can transfer the first prediction model to the second prediction model by transfer learning using information on the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated by the second prediction electromagnetic wave absorption calculation unit. In this case, the prediction unit (described later) can use the second prediction model as a prediction model.
(B-3) Prediction Unit The prediction unit 623 can predict the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the second non-conductive material group is virtually doped with carriers, based on the prediction model generated by the prediction model generation unit 622. In other words, the prediction step described above can be performed.
(B-4) Candidate substance selection unit The candidate substance selection unit 624 can select, from the non-conductive substances in the second non-conductive substance group, a non-conductive substance whose electromagnetic wave absorption predicted by the prediction unit is equal to or less than a preset threshold, as a candidate substance. In other words, the candidate substance selection step described above can be performed.
(B-5) Electromagnetic Wave Absorption Calculation Unit The electromagnetic wave absorption calculation unit 625 can calculate the electromagnetic wave absorption when a candidate substance is virtually doped with carriers using a hybrid functional. That is, the electromagnetic wave absorption calculation step described above can be performed.
(B-6) Selection Unit The selection unit 626 can select, from among the candidate materials, non-conductive materials whose electromagnetic wave absorption calculated by the electromagnetic wave absorption calculation unit is equal to or less than a threshold value. That is, the above-mentioned selection step can be performed.
(C) Output Unit The output unit 63 may have, for example, a display. The search results obtained by the selection unit 626 can be output to the output unit 63. There are no particular limitations on the content of the search results to be output. For example, for the non-conductive substance selected by the selection unit 626, the crystal structure of the non-conductive substance, the dielectric function when virtually doped with carriers, and the electromagnetic wave absorption can be output and displayed on the output unit 63.
なお、出力部63は、探索結果をディスプレイ等に表示せず、単に上記選択した非導電物質等のデータを各種記憶装置に記録するように構成することもできる。 The output unit 63 can also be configured to simply record data on the selected non-conductive materials, etc., in various storage devices, without displaying the search results on a display or the like.
以上に説明した本実施形態のプラズモニック材料探索装置によれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料の探索を短期間で網羅的に実施することができる。 The plasmonic material exploration device of this embodiment described above makes it possible to comprehensively explore plasmonic materials whose parent material is a non-conductive substance in a short period of time.
また、本実施形態のプラズモニック材料探索装置では、上述のように予測モデルを転移学習により作成することで、プラズモニック材料の探索に利用できる予測モデルを少ない非導電物質から生成することもできる。この場合、本実施形態のプラズモニック材料探索装置によれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料をより短期間で探索することができる。
[プログラム]
次に、本実施形態のプログラムについて説明する。
Furthermore, by creating a prediction model by transfer learning as described above, the plasmonic material exploration apparatus of this embodiment can generate a prediction model that can be used to explore plasmonic materials from a small number of non-conductive substances. In this case, the plasmonic material exploration apparatus of this embodiment can explore plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance in a shorter period of time.
[program]
Next, the program of this embodiment will be described.
本実施形態のプログラムは、プラズモニック材料を探索するためのプログラムに関し、コンピュータを予測用電磁波吸収算出部と、予測モデル生成部と、予測部と、候補物質選択部と、電磁波吸収算出部と、選択部として機能させることができる。
(予測用電磁波吸収算出部)
予測用電磁波吸収算出部は、第一原理計算により第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。すなわち、既述の予測用電磁波吸収算出工程を実施することができる。
The program of this embodiment relates to a program for searching for plasmonic materials, and can cause a computer to function as a predictive electromagnetic wave absorption calculation unit, a predictive model generation unit, a prediction unit, a candidate substance selection unit, an electromagnetic wave absorption calculation unit, and a selection unit.
(Prediction electromagnetic wave absorption calculation unit)
The electromagnetic wave absorption calculation unit for prediction can calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group is hypothetically doped with carriers by first-principles calculation, i.e., can perform the above-mentioned electromagnetic wave absorption calculation step for prediction.
なお、予測用電磁波吸収算出部は、第1算出部と、第2算出部とを有する構成とすることもできる。 The prediction electromagnetic wave absorption calculation unit may also be configured to include a first calculation unit and a second calculation unit.
この場合、第1算出部は、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出できる。第2算出部は、第1算出部が算出した誘電関数の虚部から第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 In this case, the first calculation unit can calculate the dielectric function when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers, through first-principles calculations using hybrid functionals. The second calculation unit can calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers, from the imaginary part of the dielectric function calculated by the first calculation unit.
また、予測用電磁波吸収算出部は、第1予測用電磁波吸収算出部と、第2予測用電磁波吸収算出部とを有する構成とすることもできる。 The electromagnetic wave absorption prediction calculator may also be configured to include a first electromagnetic wave absorption prediction calculator and a second electromagnetic wave absorption prediction calculator.
この場合、第1予測用電磁波吸収算出部は、一般化勾配近似を用いて、第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 In this case, the first predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can use the generalized gradient approximation to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material in the third non-conductive material group is virtually doped with carriers.
また、第2予測用電磁波吸収算出部は、ハイブリッド汎関数を用いて、第3非導電物質群の非導電物質の一部である、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。 In addition, the second predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can use a hybrid functional to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material from the first non-conductive material group, which is part of a non-conductive material from the third non-conductive material group, is virtually doped with carriers.
なお、第2予測用電磁波吸収算出部は、ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出できる。 The second predictive electromagnetic wave absorption calculation unit can calculate the dielectric function when a non-conductive material in the first non-conductive material group is virtually doped with carriers by first-principles calculations using hybrid functionals.
そして、誘電関数の虚部から、第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出できる。
(予測モデル生成部)
予測モデル生成部は、第1非導電物質群の非導電物質の情報と、予測用電磁波吸収算出部で算出した第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成できる。すなわち、既述の予測モデル生成工程を実施できる。
Then, from the imaginary part of the dielectric function, it is possible to calculate the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers.
(Prediction model generation unit)
The prediction model generating unit can generate a prediction model using information on the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated by the prediction electromagnetic wave absorption calculating unit when the non-conductive materials in the first non-conductive material group are virtually doped with carriers, i.e., can perform the prediction model generating step described above.
なお、予測用電磁波吸収算出部が第1予測用電磁波吸収算出部と、第2予測用電磁波吸収算出部とを有する場合、予測モデル生成部は、第1予測モデル生成部と、第2予測モデル生成部とを有することもできる。 In addition, if the prediction electromagnetic wave absorption calculation unit has a first prediction electromagnetic wave absorption calculation unit and a second prediction electromagnetic wave absorption calculation unit, the prediction model generation unit may also have a first prediction model generation unit and a second prediction model generation unit.
第1予測モデル生成部は、第3非導電物質群の非導電物質の情報を説明変数とし、かつ第1予測用電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収を目的変数とする第1予測モデルを生成できる。 The first prediction model generation unit can generate a first prediction model using information about the non-conductive materials in the third non-conductive material group as an explanatory variable and the electromagnetic wave absorption calculated by the first prediction electromagnetic wave absorption calculation unit as a target variable.
第2予測モデル生成部は、第1予測モデルを、第1非導電物質群の非導電物質の情報、および第2予測用電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収を用いて、転移学習により第2予測モデルに転移できる。この場合、後述する予測部では、予測モデルとして第2予測モデルを用いることができる。
(予測部)
予測部は、予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測できる。すなわち、既述の予測工程を実施できる。
(候補物質選択部)
候補物質選択部は、第2非導電物質群の非導電物質のうち、予測部で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択できる。すなわち、既述の候補物質選択工程を実施できる。
(電磁波吸収算出部)
電磁波吸収算出部は、候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出できる。すなわち、既述の電磁波吸収算出工程を実施できる。
(選択部)
選択部は、候補物質のうち、電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収が閾値以下である非導電物質を選択できる。すなわち、既述の選択工程を実施できる。
The second prediction model generation unit can transfer the first prediction model to the second prediction model by transfer learning using information on the non-conductive materials in the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated by the second prediction electromagnetic wave absorption calculation unit. In this case, the prediction unit (described later) can use the second prediction model as a prediction model.
(Prediction Department)
The prediction unit can predict the electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the second non-conductive material group is virtually doped with carriers based on the prediction model, i.e., can perform the prediction step described above.
(Candidate substance selection section)
The candidate material selection unit can select, as a candidate material, a non-conductive material from the second non-conductive material group whose electromagnetic wave absorption predicted by the prediction unit is equal to or less than a preset threshold value, i.e., can perform the candidate material selection step described above.
(Electromagnetic wave absorption calculation section)
The electromagnetic wave absorption calculation unit can calculate the electromagnetic wave absorption when the candidate material is virtually doped with carriers using a hybrid functional, i.e., can perform the electromagnetic wave absorption calculation step described above.
(Selection section)
The selection unit can select, from among the candidate materials, non-conductive materials whose electromagnetic wave absorption calculated by the electromagnetic wave absorption calculation unit is equal to or less than a threshold value, i.e., can perform the above-described selection step.
本実施形態のプログラムは、例えば既述のプラズモニック材料探索装置のRAMやROM等の主記憶装置または補助記憶装置の各種記憶媒体に記憶させておくことができる。そして、係るプログラムを読み込ませ、CPUにより実行することにより、RAM等におけるデータの読み出しおよび書き込みを行うと共に、入出力インタフェースおよび表示装置を動作させて実行できる。このため、プラズモニック材料探索装置で既に説明した事項については説明を省略する。 The program of this embodiment can be stored in various storage media, such as the RAM or ROM of the main memory or auxiliary memory of the plasmonic material exploration device described above. Then, by loading the program and executing it with the CPU, data can be read and written to the RAM, etc., and the input/output interface and display device can be operated and executed. Therefore, a description of the matters already described for the plasmonic material exploration device will be omitted.
上述した本実施形態のプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることで提供してもよい。また、本実施形態のプログラムをインターネットなどのネットワークを介して提供、配布するように構成してもよい。 The program of this embodiment described above may be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by being downloaded via the network. The program of this embodiment may also be configured to be provided and distributed via a network such as the Internet.
本実施形態のプログラムは、CD-ROM等の光ディスクや、半導体メモリ等の記録媒体に格納した状態で流通等させてもよい。 The program of this embodiment may be distributed in a state stored on a recording medium such as an optical disc such as a CD-ROM or a semiconductor memory.
以上に説明した本実施形態のプログラムによれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料の探索を短期間で網羅的に実施することができる。 The program of this embodiment described above makes it possible to comprehensively search for plasmonic materials whose parent material is a non-conductive substance in a short period of time.
また、本実施形態のプログラムでは、上述のように予測モデルを転移学習により作成することで、プラズモニック材料の探索に利用できる予測モデルを少ない非導電物質から生成することもできる。この場合、本実施形態のプログラムによれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料をより短期間で探索することができる。 Furthermore, by creating a predictive model using transfer learning as described above, the program of this embodiment can also generate a predictive model that can be used to search for plasmonic materials from a small number of non-conductive substances. In this case, the program of this embodiment can search for plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance in a shorter period of time.
以下に具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Specific examples are provided below, but the present invention is not limited to these examples.
以下、プラズモニック材料探索装置50を用いて、既述のプラズモニック材料探索方法により、プラズモニック材料を探索した。プラズモニック材料の母物質の候補として、材料データベース「マテリアルプロジェクト(Materials Project)からバンドギャップが0より大きい物質として登録されている2元、3元、4元物質、計2329物質を用意した。なお、この2329物質は、既述のM個の非導電物質に対応する。 Below, plasmonic materials were searched for using the plasmonic material search device 50 and the plasmonic material search method described above. As candidates for parent materials for plasmonic materials, a total of 2,329 binary, ternary, and quaternary substances registered in the materials database "Materials Project" as substances with a band gap greater than 0 were prepared. Note that these 2,329 substances correspond to the M non-conductive substances described above.
ターゲット波長を可視光とし、電磁波吸収の積分範囲を380nm~780nmとした。予測モデルの作成に用いる非導電物質の情報として、組成に含まれる各元素の物性値の加重平均、加重分散、加重和、最大値、最小値を用いた。例えば、2元物質AwABwBの場合、物性値fについては、元素A、Bの物性値fA、fBを用いて以下のように示される。
加重平均:fave=(wAfA+wBfB)/(wA+wB)
加重分散:fvar=[wA(fA-fave)2+wB(fB-fave)2]/(wA+wB)
加重和:fsum=wAfA+wBfB
最大値:fmax=max(fA,fB)
最小値:fmin=min(fA,fB)
物性値fは、周期、陽子数、原子番号、原子半径、Rahmによる原子半径、原子体積、原子質量、無機結晶構造データベース(ICSD:Inorganic Crystal Structure Database)の原子体積、格子定数、ファンデルワールス(vdW)半径、AlvarezによるvdW半径、BatsanovによるvdW半径、BondiによるvdW半径、DREIDING FFのvdW半径、MM3 FFのvdW半径、RowlandとTaylorによるvdW半径、TruhlarによるvdW半径、UFFのvdW半径、Braggによる共有結合半径、Cerderoによる共有結合半径、Pyykkoによる共有結合半径の単結合距離、Pyykkoによる共有結合半径の二重結合距離、Pyykkoによる共有結合半径の三重結合距離、Slaterによる共有結合半径、vdW係数C6、GouldとBuckoによるvdW係数C6、295Kにおける密度、プロトン親和力、双極分極率、電子親和力、電気陰性度、Allenスケールの電気陰性度、Ghoshスケールの電気陰性度、Mullikenスケールの電気陰性度、DFTのバンドギャップ、DFTのエネルギー、DFTによるBCCの格子定数、DFTによるFCCの格子定数、DFTの磁気モーメント、DFTの体積、HHI係数、20℃の比熱、気相塩基度、第一イオン化エネルギー、融解熱、生成熱、モル比熱容量、比熱容量、蒸発熱、熱膨張係数、沸点、ブリネル硬度、圧縮率、融点、金属結合半径の単結合距離、金属結合半径の最近接距離、25℃の熱伝導率、音速、ビッカース硬度、分極率、ヤング率、ポアソン比、モル体積、全非占有電子数、全価電子数、非占有d電子数、d価電子数、非占有f電子数、f価電子数、非占有p電子数、p電子数、非占有s電子数、s価電子数とした。なお、非導電物質の情報の算出には、PythonライブラリXenonPyを使用した。
The target wavelength was set to visible light, and the integral range of electromagnetic wave absorption was set to 380 nm to 780 nm. The weighted average, weighted variance, weighted sum, maximum value, and minimum value of the physical property values of each element contained in the composition were used as information on the non-conductive material to create the prediction model. For example, in the case of a binary material A wA B wB , the physical property value f is expressed as follows using the physical property values f A and f B of elements A and B:
Weighted average: f ave = (wAf A + wBf B )/(wA + wB)
Weighted variance: f var = [wA (f A - f ave ) 2 + wB (f B - f ave ) 2 ] / (wA + wB)
Weighted sum: f sum = wAf A + wBf B
Maximum value: f max = max(f A , f B )
Minimum value: f min =min(f A , f B )
The physical property value f is the period, number of protons, atomic number, atomic radius, atomic radius according to Rahm, atomic volume, atomic mass, atomic volume according to the Inorganic Crystal Structure Database (ICSD), lattice constant, van der Waals (vdW) radius, vdW radius according to Alvarez, vdW radius according to Batsanov, vdW radius according to Bondi, vdW radius according to Dreiding FF, MM3 FF vdW radius, Rowland and Taylor vdW radius, Truhlar vdW radius, UFF vdW radius, Bragg covalent radius, Cerdero covalent radius, Pyykko single bond distance, Pyykko double bond distance, Pyykko triple bond distance, Slater covalent radius, vdW coefficient C6, Gould and Bucko vdW coefficient C6, Density at 295 K, Proton affinity, Dipole polarizability, Electron affinity, Electronegativity, Allen scale electronegativity, Ghosh scale electronegativity, Mulliken scale electronegativity The following data were used: viscosities, DFT band gap, DFT energy, DFT BCC lattice constant, DFT FCC lattice constant, DFT magnetic moment, DFT volume, HHI coefficient, specific heat at 20 ° C, gas phase basicity, first ionization energy, heat of fusion, heat of formation, molar specific heat capacity, specific heat capacity, heat of vaporization, thermal expansion coefficient, boiling point, Brinell hardness, compressibility, melting point, single bond distance of metallic bond radius, closest distance of metallic bond radius, thermal conductivity at 25 ° C, speed of sound, Vickers hardness, polarizability, Young's modulus, Poisson's ratio, molar volume, total number of unoccupied electrons, total number of valence electrons, number of unoccupied d electrons, number of d valence electrons, number of unoccupied f electrons, number of f valence electrons, number of unoccupied p electrons, number of p electrons, number of unoccupied s electrons, and number of s valence electrons. The Python library XenonPy was used to calculate the information on non-conductive materials.
非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測する予測モデルの作成手法として、ニューラルネットワークを用いた転移学習を選択した。 Transfer learning using neural networks was selected as a method for creating a predictive model to predict electromagnetic wave absorption when non-conductive materials are virtually doped with carriers.
具体的にはまず、既述のM個の非導電物質のうち、1000物質について、一般化勾配近似を用いた第一原理計算により仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出した(第1予測用電磁波吸収算出工程、第1予測用電磁波吸収算出部)。なお、この1000物質は、既述の第3非導電物質群を構成するL個の非導電物質に対応する。仮想的なキャリアのドープは、各物質の単位格子に1個の電子を添加することで行った。 Specifically, first, for 1,000 of the M non-conductive materials described above, the electromagnetic wave absorption when virtually doped with carriers was calculated using first-principles calculations using the generalized gradient approximation (first electromagnetic wave absorption calculation step for prediction, first electromagnetic wave absorption calculation unit for prediction). Note that these 1,000 materials correspond to the L non-conductive materials that make up the previously described third non-conductive material group. Virtual carrier doping was performed by adding one electron to the unit cell of each material.
計算は、平面波基底第一原理計算ソフトであるVASP(Vienna Ab initio Simulation Package)を用いて、DFTの範疇で、PBE汎関数(交換相関汎関数)を用いて行った。また、PAW(projector augmented wave)ポテンシャルを用い、平面カットオフは520eV、k点密度は0.4Å-1とした。 The calculations were performed using the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP), a plane-wave based first-principles calculation software, with a PBE functional (exchange-correlation functional) in the DFT category. A PAW (projector augmented wave) potential was used, with a planar cutoff of 520 eV and a k-point density of 0.4 Å .
この結果を用いて、一般化勾配近似による電磁波吸収の第1予測モデルを作成した(第1予測モデル生成工程、第1予測モデル生成部)。 Using these results, a first prediction model of electromagnetic wave absorption using generalized gradient approximation was created (first prediction model generation process, first prediction model generation unit).
上記第3非導電物質群を構成するL個(1000物質)の中から第1非導電物質群の非導電物質であるN個(163物質)について、ハイブリッド汎関数を用いて、仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出した(第2予測用電磁波吸収算出工程、第2予測用電磁波吸収算出部)。 For N (163) non-conductive materials in the first non-conductive material group out of the L (1,000) materials that make up the third non-conductive material group, the electromagnetic wave absorption when virtually doped with carriers was calculated using a hybrid functional (second prediction electromagnetic wave absorption calculation step, second prediction electromagnetic wave absorption calculation unit).
計算は、平面波基底第一原理計算ソフトであるVASPを用いて、DFTの範疇で、HSE06汎関数を用いて行った。また、PAWポテンシャルを用い、平面カットオフは520eV、k点密度は0.6Å-1とした。この計算は、上述のハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算の一例である。 The calculation was performed using VASP, a plane wave basis first-principles calculation software, in the category of DFT, with the HSE06 functional. The PAW potential was used, with a plane cutoff of 520 eV and a k-point density of 0.6 Å . This calculation is an example of a first-principles calculation using the hybrid functional described above.
転移学習により、一般化勾配近似による電磁波吸収の第1予測モデルを、ハイブリッド汎関数による電磁波吸収の第2予測モデルへ転移し、上記第1非導電物質群の非導電物質である163物質のハイブリッド汎関数による電磁波吸収のデータを用いて学習させた(第2予測モデル生成工程、第2予測モデル生成部)。転移学習にはPythonライブラリXenonPyを用いた。 By transfer learning, the first prediction model of electromagnetic wave absorption using generalized gradient approximation was transferred to a second prediction model of electromagnetic wave absorption using hybrid functionals, and the model was trained using data on electromagnetic wave absorption using hybrid functionals for 163 non-conductive materials in the first non-conductive material group (second prediction model generation process, second prediction model generation unit). The Python library XenonPy was used for transfer learning.
予測モデルとして上記第2予測モデルを用いて、M個の非導電物質から、第1非導電物質群を構成するN個の非導電物質を除いた、第2非導電物質群の非導電物質である2166物質について、仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測した(予測工程、予測部)。なお、M個の非導電物質から、第1非導電物質群を構成するN個の非導電物質を除いた2166物質は、上述のM個の非導電物質(2329物質)からN個の非導電物質(163物質)を除いたM-N個の非導電物質に対応する。 Using the second prediction model described above as a prediction model, the electromagnetic wave absorption of 2,166 non-conductive materials in the second non-conductive material group, obtained by excluding the N non-conductive materials that make up the first non-conductive material group from the M non-conductive materials, was predicted when virtually doped with carriers (prediction process, prediction unit). Note that the 2,166 materials obtained by excluding the N non-conductive materials that make up the first non-conductive material group from the M non-conductive materials correspond to the M-N non-conductive materials obtained by excluding the N non-conductive materials (163 materials) from the M non-conductive materials (2,329 materials) described above.
第2非導電物質群の非導電物質のうち、予測工程で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択した(候補物質選択工程、候補物質選択部)。なお、閾値には、既知の母物質が非導電物質であるプラズモニック材料であるタングステン酸セシウム(Cs0.33WO3)の電磁波吸収を用い、具体的には閾値δ=3.5とした。予測工程で予測した、ハイブリッド汎関数による電磁波吸収の予測値が閾値δ以下となるものは287物質あった。 Among the non-conductive materials in the second non-conductive material group, non-conductive materials whose electromagnetic wave absorption predicted in the prediction step was equal to or less than a preset threshold were selected as candidate materials (candidate material selection step, candidate material selection unit). The threshold used was the electromagnetic wave absorption of cesium tungstate ( Cs0.33WO3 ), a plasmonic material whose known parent material is a non-conductive material; specifically, the threshold δ was set to 3.5. There were 287 materials whose predicted values of electromagnetic wave absorption by the hybrid functional in the prediction step were equal to or less than the threshold δ.
上記287物質に対して、ハイブリッド汎関数により、仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出した(電磁波吸収算出工程、電磁波吸収算出部)。 For the above 287 materials, the electromagnetic wave absorption when virtually doped with carriers was calculated using hybrid functionals (electromagnetic wave absorption calculation process, electromagnetic wave absorption calculation section).
計算は、平面波基底第一原理計算ソフトであるVASPを用いて、DFTの範疇で、HSE06汎関数を用いて行った。また、PAWポテンシャルを用い、平面カットオフは520eV、k点密度は0.4Å-1とした。この計算は、電磁波吸収算出部におけるハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算の一例である。 The calculation was performed using VASP, a plane wave basis first-principles calculation software, in the category of DFT, using the HSE06 functional. In addition, a PAW potential was used, with a plane cutoff of 520 eV and a k-point density of 0.4 Å . This calculation is an example of a first-principles calculation using a hybrid functional in the electromagnetic wave absorption calculation section.
候補物質のうち、電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収が閾値以下である非導電物質を選択した(選択工程、選択部)。なお、閾値であるδは、δ=3.5とした。ハイブリッド汎関数による電磁波吸収が閾値以下となるものは17物質あった。これら17物質は、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料として好適な材料であるといえる。本実施例において発見された母物質が非導電物質であるプラズモニック材料としては、Mg(SbO3)2、SrZnO2、SrSnO3等が挙げられる。 Among the candidate substances, non-conductive substances whose electromagnetic wave absorption calculated in the electromagnetic wave absorption calculation step was below the threshold were selected (selection step, selection unit). The threshold δ was set to δ = 3.5. There were 17 substances whose electromagnetic wave absorption by the hybrid functional was below the threshold. These 17 substances can be said to be suitable materials as plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance. Examples of plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance discovered in this example include Mg( SbO3 ) 2 , SrZnO2 , and SrSnO3 .
本実施例により、2329物質の中からキャリアをドープすることにより、可視光領域でプラズモニック材料となる物質を短期間で網羅的に探索・発見することができた。また、本実施例によれば、母物質が非導電物質であるプラズモニック材料の探索が短期間で網羅的に実施できるため、開発期間の短縮が可能になることを確認できた。 This example enabled us to comprehensively search and discover, in a short period of time, 2,329 substances that could be used as plasmonic materials in the visible light region by doping them with carriers. Furthermore, this example confirmed that the development period can be shortened because it allows us to comprehensively search for plasmonic materials whose parent substance is a non-conductive substance in a short period of time.
50 プラズモニック材料探索装置
621 予測用電磁波吸収算出部
622 予測モデル生成部
623 予測部
624 候補物質選択部
625 電磁波吸収算出部
626 選択部
50 Plasmonic material exploration device 621 Prediction electromagnetic wave absorption calculation unit 622 Prediction model generation unit 623 Prediction unit 624 Candidate substance selection unit 625 Electromagnetic wave absorption calculation unit 626 Selection unit
Claims (6)
前記第1非導電物質群の非導電物質の情報と、前記予測用電磁波吸収算出工程で算出した前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成する予測モデル生成工程と、
前記予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測する予測工程と、
前記第2非導電物質群の非導電物質のうち、前記予測工程で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択する候補物質選択工程と、
前記候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出する電磁波吸収算出工程と、
前記候補物質のうち、前記電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収が前記閾値以下である非導電物質を選択する選択工程と、を含むプラズモニック材料探索方法。 a predictive electromagnetic wave absorption calculation step of calculating, by first-principles calculation, electromagnetic wave absorption when a unit lattice of a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers;
a prediction model generation step of generating a prediction model using information on the non-conductive material of the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated in the prediction electromagnetic wave absorption calculation step when the non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers;
a prediction step of predicting electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the second non-conductive material group is virtually doped with carriers based on the prediction model;
a candidate material selection step of selecting, from the non-conductive materials of the second non-conductive material group, a non-conductive material whose electromagnetic wave absorption predicted in the prediction step is equal to or less than a preset threshold, as a candidate material;
an electromagnetic wave absorption calculation step of calculating electromagnetic wave absorption when the candidate material is virtually doped with carriers using a hybrid functional;
a selection step of selecting, from the candidate substances, a non-conductive substance whose electromagnetic wave absorption calculated in the electromagnetic wave absorption calculation step is equal to or less than the threshold.
ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出し、
前記誘電関数の虚部から前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する、請求項1に記載のプラズモニック材料探索方法。 In the step of calculating the electromagnetic wave absorption for prediction,
calculating a dielectric function when a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers by first-principles calculation using a hybrid functional;
The plasmonic material exploration method according to claim 1 , further comprising calculating electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers from the imaginary part of the dielectric function.
一般化勾配近似を用いて、第3非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する第1予測用電磁波吸収算出工程と、
ハイブリッド汎関数を用いて、前記第3非導電物質群の非導電物質の一部である、前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する第2予測用電磁波吸収算出工程と、を有し、
前記予測モデル生成工程は、
前記第3非導電物質群の非導電物質の情報を説明変数とし、かつ前記第1予測用電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収を目的変数とする第1予測モデルを生成する第1予測モデル生成工程と、
前記第1予測モデルを、前記第1非導電物質群の非導電物質の情報、および前記第2予測用電磁波吸収算出工程で算出した電磁波吸収を用いて、転移学習により第2予測モデルに転移する第2予測モデル生成工程と、を有し、
前記予測工程では、前記予測モデルとして前記第2予測モデルを用いる、請求項1に記載のプラズモニック材料探索方法。 The predictive electromagnetic wave absorption calculation step includes:
a first predictive electromagnetic wave absorption calculation step of calculating electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the third non-conductive material group is virtually doped with carriers using a generalized gradient approximation;
a second predictive electromagnetic wave absorption calculation step of calculating, using a hybrid functional, electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group, which is a part of a non-conductive material of the third non-conductive material group, is virtually doped with carriers,
The prediction model generation step includes:
a first prediction model generating step of generating a first prediction model using information on the non-conductive materials of the third non-conductive material group as an explanatory variable and the electromagnetic wave absorption calculated in the first prediction electromagnetic wave absorption calculating step as a response variable;
a second prediction model generation step of transferring the first prediction model to a second prediction model by transfer learning using information on the non-conductive materials of the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated in the second prediction electromagnetic wave absorption calculation step,
The plasmonic material exploration method according to claim 1 , wherein the prediction step uses the second prediction model as the prediction model.
ハイブリッド汎関数を用いた第一原理計算により、前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の誘電関数を算出し、
前記誘電関数の虚部から、前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を算出する、請求項3または請求項4に記載のプラズモニック材料探索方法。 In the second predictive electromagnetic wave absorption calculation step,
calculating a dielectric function when a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers by first-principles calculation using a hybrid functional;
5. The plasmonic material exploration method according to claim 3, further comprising calculating electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers from the imaginary part of the dielectric function.
前記第1非導電物質群の非導電物質の情報と、前記予測用電磁波吸収算出部で算出した前記第1非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収と、を用いて予測モデルを生成する予測モデル生成部と、
前記予測モデルに基づいて第2非導電物質群の非導電物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を予測する予測部と、
前記第2非導電物質群の非導電物質のうち、前記予測部で予測した電磁波吸収が予め設定した閾値以下である非導電物質を候補物質として選択する候補物質選択部と、
前記候補物質に仮想的にキャリアをドープした際の電磁波吸収を、ハイブリッド汎関数を用いて算出する電磁波吸収算出部と、
前記候補物質のうち、前記電磁波吸収算出部で算出した電磁波吸収が前記閾値以下である非導電物質を選択する選択部と、を有するプラズモニック材料探索装置。 a prediction electromagnetic wave absorption calculation unit that calculates electromagnetic wave absorption when a unit lattice of a non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers by first-principles calculation;
a prediction model generating unit that generates a prediction model using information on the non-conductive material of the first non-conductive material group and the electromagnetic wave absorption calculated by the prediction electromagnetic wave absorption calculating unit when the non-conductive material of the first non-conductive material group is virtually doped with carriers;
a prediction unit that predicts electromagnetic wave absorption when a non-conductive material of the second non-conductive material group is virtually doped with carriers based on the prediction model;
a candidate material selection unit that selects, from the non-conductive materials of the second non-conductive material group, a non-conductive material whose electromagnetic wave absorption predicted by the prediction unit is equal to or less than a preset threshold, as a candidate material;
an electromagnetic wave absorption calculation unit that calculates electromagnetic wave absorption when the candidate material is virtually doped with carriers using a hybrid functional;
a selection unit that selects, from the candidate materials, a non-conductive material whose electromagnetic wave absorption calculated by the electromagnetic wave absorption calculation unit is equal to or less than the threshold.
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| 三宅 隆,発展する物性物理 計算科学と機械学習による物質探索,数理科学,日本,株式会社サイエンス社,2019年01月01日,第57巻,第1号,p.34-39 |
| 吉田 智大,他2名,転移学習による日射遮蔽材料探索,2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集,公益社団法人応用物理学会 The Japan Society of Applied Physics,2021年02月26日,[18p-Z08-11] |
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