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定義
密度汎関数理論 (DFT)は、分子、結晶、表面、さらには非平衡グリーン関数（NEGF）と組み合わせた場合の電子デバイスに至るまで、ほぼあらゆる種類の原子系について、その多種多様な物性を計算するための量子力学的な原子レベルシミュレーション手法である。
DFTは第一原理（ab initio）法の一種であり、実験データを用いずに未知の系の物性値を予測できることから、このように呼ばれています。その中でも、DFTは必要な計算負荷が比較的少ないことから、広く普及しています。
DFT法は、有機化学や無機化学、冶金学やセラミックスなどの材料科学、さらには電子材料など、数多くの分野で広く応用されています。
ごく簡単な歴史的背景
20世紀初頭の量子力学における画期的な進展により、原子の本質や性質に関する多くの未解決の疑問に、ついに答えがもたらされた。 しかし、これらの原理を分子や固体材料といったより複雑な系に適用することは、予想以上に困難であることが判明した。古典力学においてさえ、三体問題（太陽、月、地球の軌道運動の組み合わせなど）に対する一般的な解は存在せず、水分子一つを記述するだけでも、10個の電子と3つの原子核を扱う必要があるのだ。
DFTの成功と応用可能性は、1960年代半ばにウォルター・コーン、ピエール・ホーエンベルク、ルー・ジュー・シャムによってなされた、非常に独創的な気づきに由来しています。個々の電子に焦点を当てるのではなく、電子密度を解くべき基本変数として用い、さらに多体問題を同等の単一粒子問題として再定式化したことで、密度汎関数理論 が誕生しました。
その後数十年にわたり、多くの研究者によってこの手法は実用的なツールへと発展し、高性能な数値計算機の活用を通じて、DFTは材料科学や化学、その他多くの分野において不可欠なツールとなった。スピン自由度を比較的容易に組み込むことで、磁性系の記述が可能となり、さらに相対論的効果や超伝導さえも扱うことができるようになった。
DFTはどのような問題を解決するのか？
原子レベルでのモデリング全般、とりわけDFT計算は、化学物質や電子材料などを扱う研究者や科学者にとって、以下の2つの点で大きな価値をもたらします。
- DFTは、実験的な入力パラメータを必要とせずに、周期表上のほぼすべての元素をあらゆる原子配列で扱うことができるため、まったく新しい分子や材料に対しても強力な予測能力を発揮します。 このように、原子スケール・シミュレーション は、実験室に入り、性質や挙動が不明で高価かつ潜在的に危険な化学物質を扱う前に、有望な材料候補を絞り込むことで、開発期間とコストを削減することができます。高性能コンピュータ（HPC）クラスターを使用すれば、たった1人で数百、さらには数千もの材料を並列にスクリーニングすることができ、人間が同時に実施できる実験数をはるかに上回る規模でのスクリーニングが可能になります。
- 第二に、DFT計算は、さまざまな条件下で材料やデバイスがどのように振る舞い、動作するかを理解するために活用されます。DFTの熟練したユーザーであれば、測定データとシミュレーション結果を照らし合わせることで、材料やデバイスで観測される特定の現象について、単純なモデルでは容易に説明できないその物理的起源に関する結論を導き出すことができます。このような知見は、当該の現象や材料の特性を最大限に活用するために不可欠であり、例えばデバイスの寸法を微細化したり、材料の選定やプロセス条件を最適化したりする際には、なおさら重要です。
このように、DFTはその予測能力と原子レベルの量子力学的性質のおかげで、技術開発の道筋を見出す上で不可欠なツールとなっており、最初の試験用デバイスが製造される何年も前、あるいは新素材が実験的に完全に特性評価される前であっても、探索する な新素材や特異な物理現象を特定することができるのです！
DFTは シノプシス 製品ポートフォリオにどのように位置づけられるのでしょうか？
シノプシス 社の原子レベルモデリングプラットフォーム「QuantumATK 」は、市場で最も先進的かつ汎用性の高い材料シミュレーションコードの一つです。このプラットフォームを使用すると、複雑な分子、非晶質および結晶性材料、界面、さらには原子レベルのデバイスに至るまで、それらの電子的、熱的、機械的、光学的、磁気的、強誘電的、熱電的特性など、数多くの物性を計算することができます。 このコードは、効率性、汎用性、堅牢性を備えるだけでなく、使いやすさも追求されており、初心者にも適しています。また、NanoLabグラフィカルユーザーインターフェースに加え、経験豊富なユーザーがタスクを自動化し、高度なワークフローやデータ解析を作成できるよう、Pythonスクリプト機能も提供しています。
QuantumATK また、TCAD ツールやDTCOフローと連携させることで、プロセスシミュレーションや斬新なデバイスアーキテクチャにおける新材料の活用を支援します。特別に設計されたアプリケーション中心のモジュールにより、DFTの理論に関する知識が限られているエンジニアでも、重要な設計パラメータを入力することに集中するだけで、原子レベルモデリングの恩恵を受けることができます。一方、ソフトウェア内のエキスパートシステムが、正確かつ高速な結果を得るために、数値パラメータや計算パラメータの調整を自動的に行います。
DFTの枠を超えて
QuantumATK は単なるDFTコード以上のものだということをご留意ください！このコードには力場や半経験的モデルも組み込まれており、同じコード環境内でこれらのモデルが共存することによる相乗効果により、熱シミュレーションや電子輸送シミュレーションにおいてフォノン用の古典ポテンシャルと電子用のDFTモデルを組み合わせたり、機械学習を用いて新素材の正確な力場を推定したりするなど、独自の問題を解決することが可能になります。
さらに、QuantumATK は、複雑な材料やさまざまな条件下において、可能な限り現実的な物理的結果を提供することを目指して開発されています。これには、非常に大規模な系に対するDFT計算を処理できるシミュレーションエンジンが必要であり、より正確な結果を迅速に提供することを目的とした新しいモデルを絶えず追加しています。 LCAO-HSEモデルは、例えば高誘電率金属ゲートスタック（HKMG）において、3000個以上の原子からなる系であっても、異なる材料間の正確なバンドアライメントを算出することが可能です。また、NEGF法は、複雑な原子スケールのデバイスにおける電子輸送（必要に応じてフォノン散乱を含めて）を記述することができます。
詳細を見るQuantumATK が、半導体物理学・デバイス技術の分野において、いかに正確かつ信頼性の高い密度汎関数理論 （DFT）シミュレーションを行っているかについて。
QuantumATK 事例紹介
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