First-principles calculations of finite temperature transport properties
| Project/Area Number |
22K14285
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
新屋 ひかり 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (60784709)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 第一原理計算 / スピントロニクス / KKR-CPA法 / 線形応答理論 / KKR-CPA |
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| Outline of Research at the Start |
スピントロニクス材料の開発の際にはデバイス動作温度における伝導特性や磁気抵抗(MR)比、トンネル磁気抵抗(TMR)が重要な指標とされるが、基底状態を記述する第一原理計算ではこれらの物性を正確に評価することは困難である。
そこで本研究では、まずコヒーレントポテンシャル近似を用いて温度効果を第一原理計算に取り入れ、線形応答理論により伝導特性を計算することでこの問題を克服する。また、ヘテロ構造や積層構造に対する伝導特性の計算を行うことでMR比やTMR比も計算可能とする手法の開発を行い、スピントロニクス材料として有望な物質の探索を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピントロニクス材料に対して計算機マテリアルデザインを行う際には、デバイス動作温度における電気抵抗率や磁気抵抗 (MR) 比、トンネル磁気抵抗 (TMR) 比といった電気伝導特性の定量的な評価が必要である。しかし、第一原理計算は励起に関する現象である温度効果や伝導特性の取り扱いは不得手である。有限温度における電気伝導特性が第一原理的に正確に評価できるようになれば、材料開発速度が飛躍的に向上すると期待される。
そこで本研究では従来の計算機マテリアルズデザインの限界を超えるため、第一原理計算コードである「AkaiKKR (http://kkr.issp.u-tokyo.ac.jp)」の開発を行った。まず、ベースとなる第一原理計算手法であるKorringa－Kohn－Rostoker (KKR) グリーン関数法にコヒーレントポテンシャル近似 (CPA) を組み合わせて、電子－フォノン散乱や電子－マグノン散乱による温度効果を取り入れた。さらに、線形応答理論を用いて励起状態である伝導現象を記述し、定量的な評価を行った。この計算手法は既にいくつかの金属系で成功を収めているが、今回計算対象の幅を広げるために磁性半導体系にも適用し、実験値との比較を行うことで計算手法とプログラムの正当性を調べた。さらに、ミクロスコピックな観点から輸送現象のメカニズムの解明・議論も行った。また、現実のデバイス構造に近い異種界面を含むヘテロ接合や多層膜構造においても安定した計算が行えるようにプログラムの開発・改良を行った。
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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
本研究で開発を行っている独自の第一原理計算コード「AkaiKKR」は既にいくつかの金属系で成功を収めているが、今回は計算可能な物質系の幅を広げるために磁性半導体系にも適用した。その結果、金属系とは明らかに異なる電気伝導の温度依存性の挙動を予測できた。さらに、本手法は複数の電子散乱効果をミクロスコピックな観点から議論できるため物性の予測を行うだけではなく、輸送現象のメカニズムの解明にも役立つことが示された。また、実際のデバイス構造に近い異種界面を含むヘテロ接合や多層膜構造においても安定した計算が行えるように、プログラムの開発・改良を行った。このように本計算手法は安定性の向上や適用可能範囲の拡張により、デバイス動作温度における伝導特性も議論可能な計算機マテリアルズデザインツールとして順調に発展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験と比較可能なデータ作成のためにここまでに開発した手法を網羅的にホイスラー合金へと適用する。KKR－CPA法は数ある第一原理計算手法の中でもトップクラスの高速計算が可能であり、網羅計算に適した手法である。網羅計算の結果を解析しながら適宜実証実験を依頼し、フィードバックをかけることでプログラムの改良を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(15 results)
