| Project/Area Number |
22K03491
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
江上 喜幸 北海道大学, 工学研究院, 助教 (20397631)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | 第一原理計算 / 電子輸送特性 / XC_3 / 大規模計算 / グラフェン / 分子吸着 / Xene / シリグラフェン / キャリア移動度 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題では、第一原理計算手法を用いて、原子層状ハニカム格子構造をとるXeneからなるナノ～ミクロンスケールの原子層ヘテロ構造の電子輸送特性の理論的解析を行う。ここでは、2次元面内でのヘテロ接合構造（ヘテロ接合）と多層構造であるファンデルワールスヘテロ構造（ヘテロ積層）について、ヘテロ界面構造や応力による3次元的な幾何構造変化、格子欠陥による化学構造変化と電子輸送特性との相関を解析し、支配的な要因を明らかにする。これによりポストSi材料として有用なデバイス材料・構造開発に資する研究を行うことを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，Xeneと呼ばれる原子層状物質からなる大規模なヘテロ構造おける電子輸送特性について研究を進めている．当該年度においては，そのための基礎研究として，Xeneへのガス分子吸着による電子状態，および電子輸送特性の変化について，第一原理シミュレーションを用いて解析を行った．
二次元材料にガス分子が吸着すると，その電子構造に大きな影響を与え，電気伝導率や抵抗率が変化することが多くの研究で報告されている．一般にグラフェンへのガス分子の吸着は弱い物理吸着であるが，ヘテロ原子をドープすることで，ドープされた原子にNOxなどの窒素含有ガス分子が化学吸着し，高い吸着エネルギーを示すことが，いくつかの理論的研究で報告されている．
そこで，ヘテロ原子としてAlやSi，Nをグラフェンにドープした構造を用い，NO分子が吸着した際の吸着構造や状態密度，および電子輸送特性の変化についてシミュレーションを行った．ここでは，炭素原子とドーパント原子の比率が3：1であるXC_3(X=Al,Si,N)を対象とし，ドーパントの種類や，吸着分子濃度による応答の違いについて解析を行った．
その結果，Fermi準位近傍において，X=Siでは状態密度が低く，X=N，次いでX=Alで状態密度が高くなることが確認された．また，いずれも分子の吸着により，Fermi準位近傍で状態密度の上昇が見られ，SiC_3における電子輸送特性の変化はわずかであったのに対し，AlC_3やC_3Nでは大きな差が見られた． NO分子の吸着濃度による電子輸送特性応答の違いを見たところ，例えば，C_3Nでは1,000原子程度からなる表面に対して1分子の吸着でも電子輸送特性に有意な変化が見られ，高い分子検出精度を示すことが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前述のとおり，当該年度においては，原子層状物質Xeneについての基礎研究として，グラフェンにヘテロ原子をドープした2次元XC_3構造を対象として，分子吸着による幾何構造，電子状態，電子輸送特性について解析を行い，また，ドーパント種や吸着分子の濃度による依存性についても基礎的な知見を得ることができた．
第一原理計算は計算量がシステムサイズの3乗に比例するため，大規模なモデルを用いたシミュレーション，特に，電子輸送シミュレーションを行うことは難しく，極めて低濃度の系についてはほとんど先行研究の例がない．近年，代表者が考案したアルゴリズムを用いることで，数十万原子オーダーの系においても電子輸送シミュレーションを行うことが可能となっており，これにより新たな知見を示すことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題では，Xeneと呼ばれる原子層状物質からなるヘテロ構造（ヘテロ接合構造およびヘテロ積層構造）を対象とし，大規模電子輸送特性シミュレーションを行うことで，次世代電子デバイスに有用な物質や構造についての探索を行うことを目的としている．当該年度の研究成果として，前述のとおり，2次元XC_3構造における基礎的な知見を得ることができた．
次年度以降は，ヘテロ積層構造における電子輸送特性解析を主眼とした研究を推進する．ここでは，格子定数の異なるXeneについて，特にK(K’)点でディラックコーンを形成する物質について，格子整合しやすい組み合わせを選択し(Ge-Sn，Si-Sn，C-Sn，C-Geなど)，積層パターンによる原子構造や電子状態、電子輸送特性の変化を解析する．
以上により，ヘテロ積層構造における輸送特性について解析を行い，その制御可能性や支配的ファクターを明らかにすることを目指す．
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