AIの力で複雑なスペクトルの自動解析が可能に~X線データから材料の構造・欠陥・電子状態を高精度で判別~

2025-11-10 東京理科大学,東京大学,東京科学大学,筑波大学,科学技術振興機構

東京理科大学の研究グループは、X線吸収分光法(XAS)で得られる複雑なスペクトルをAIで自動解析する新手法を開発した。対象は窒化ホウ素(BN)の結晶構造(h-BN、c-BN、w-BN)および欠陥構造で、第一原理計算により生成した多数のXASデータを用い、次元削減型機械学習手法UMAPを適用。非線形かつ高次元の特徴を捉えることで、従来の主成分分析(PCA)や多次元尺度構成法(MDS)より高精度に構造や電子状態を分類できた。さらに、実験で得たスペクトルをモデルに入力した結果、理論計算と高い整合性を示し、ノイズを含む実測データでも安定して構造判別が可能であることが実証された。本研究は、AIを活用したデータ駆動型材料解析の基盤を築くもので、新物質探索や触媒、電池、半導体開発など幅広い応用が期待される。

AIの力で複雑なスペクトルの自動解析が可能に~X線データから材料の構造・欠陥・電子状態を高精度で判別~
図1: 今回開発した手法の概要
窒化ホウ素(BN)を対象として、シミュレーションにより獲得したXASスペクトルをUMAPというアルゴリズムを用いて自動解析した。

<関連情報>

均一多様体近似と投影を用いたX線吸収スペクトルからの窒化ホウ素の結晶構造と電子構造の自動解明 Automated elucidation of crystal and electronic structures in boron nitride from X-ray absorption spectra using uniform manifold approximation and projection

Reika Hasegawa,Arpita Varadwaj,Alexandre Lira Foggiatto,Masahito Niibe,Takahiro Yamazaki,Masafumi Horio,Yasunobu Ando,Takahiro Kondo,Iwao Matsuda &Masato Kotsugi
Scientific Reports  Published:10 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-18580-z

Abstract

X-ray absorption spectroscopy (XAS) provides valuable information on the structure and electronic states of materials. Its spectral profiles are complex, influenced by crystal structure and defects, and require extensive expertise for conventional analysis. This study presents an automated XAS analysis approach using various dimension reduction methods to characterize crystal and electronic structure. We show that, Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP), outperforms traditional methods such as Principal Component Analysis (PCA) and Multidimensional Scaling (MDS) in capturing the key features of complex spectra. Applying UMAP to simulated XAS spectra of boron nitride (BN), high-dimensional data can be precisely classified by crystal system, defect type, and structural dimensionality. By correlating UMAP-derived embeddings with electronic states, we identify nontrivial electronic properties. The successful application of this model to experimental data demonstrates its potential for autonomous structural identification, offering new possibilities for data-driven materials design and advancing novel material development.

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