日本ゼオライト学会 刊行物 Publication of Japan Zeolite Association

ISSN: 0918–7774
一般社団法人日本ゼオライト学会 Japan Zeolite Association
〒162-0801 東京都新宿区山吹町358-5 アカデミーセンター Japan Zeolite Association Academy Center, 358-5 Yamabuki-cho, Shinju-ku, Tokyo 162-0801, Japan
Zeolite 42(4): 132-140 (2025)
doi:10.20731/zeoraito.42.4.132

解説解説

ニューラルネットワークを用いたX線吸収スペクトル逆解析によるアモルファスSiOx局所構造解析手法の開発Neural Network-Based XANES Analysis for Predicting the Local Structure and Valence in Amorphous SiOx

1三菱ケミカル株式会社Science & Innovation CenterMitsubishi Chemical Corporation, Science & Innovation Center ◇ 〒227–8502 神奈川県横浜市青葉区鴨志田町1000

2東京大学生産技術研究所Institute of Industrial Science, The University of Tokyo ◇ 〒153–8505 東京都目黒区駒場4–6–1

受理日:2025年8月28日Accepted: August 28, 2025
発行日:2025年10月15日Published: October 15, 2025
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アモルファス材料は長距離秩序を欠くため,その局所構造の解析は容易ではない。本稿では,この課題を克服するため,計測(X線吸収分光),シミュレーション,インフォマティクスを融合した新たな解析アプローチを提案する。具体的には,アモルファスSiOx系をモデルケースとし,分子動力学シミュレーションと第一原理計算を用いて,多様な組成の構造モデルとそれに対応するXANESスペクトルの大規模データセットを構築した。このデータセットを教師データとして人工ニューラルネットワークを学習させ,スペクトル形状から局所構造情報(原子価数,動径分布関数)を逆解析的に予測する回帰モデルを開発した。検証の結果,本モデルは,実験で観測される平均化されたスペクトルを入力した場合でも,原子価数や3 Å程度までの中距離構造を高い精度で予測できることを実証した。本研究で確立した逆解析モデルは,アモルファス材料の局所構造を迅速かつ定量的に評価する強力なツールとなり,多様な産業分野における機能性材料開発の加速に貢献することが期待される。

Characterizing the local atomic structure of amorphous materials is a significant challenge due to the absence of long-range order. While X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) spectroscopy is sensitive to the local environment, interpreting its spectra is often complex and computationally intensive. This study presents an advanced analytical framework that integrates simulation and machine learning to overcome these limitations, using amorphous silicon suboxide (SiOx) as a model system. We first generated a diverse range of amorphous SiOx structures with varying compositions using molecular dynamics simulations. Subsequently, a large-scale dataset of over 5,000 Si K-edge XANES spectra was created from these structures via first-principles calculations. This comprehensive dataset was then used to train an artificial neural network (ANN) to solve the inverse problem: predicting local structural parameters directly from a XANES spectrum. The resulting model demonstrated high accuracy in determining the atomic valence and radial distribution function (RDF) for individual Si atoms. More importantly, the ANN showed excellent generalization performance, successfully predicting the average valence and RDF from averaged spectra, which correspond to experimentally measured data. This measurement informatics approach enables rapid and quantitative analysis of the local structure in amorphous SiOx, establishing a robust inverse model applicable to material design. The proposed framework is not limited to SiOx and holds significant potential for accelerating the structural analysis and rational design of a wide variety of amorphous materials crucial to industrial applications such as battery electrodes, barrier coatings, and optical components.

キーワード:アモルファス;SiOx;XANES;計測インフォマティクス;ニューラルネットワーク

Key words: amorphous; SiOx; XANES; measurement informatics; neural networks

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