デバイス応用に向けた2次元材料の電子物性の理論設計

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 16H00925
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 宮本 良之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (70500784)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2017: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: フェムト秒レーザー / 水分解反応 / 時間依存密度汎関数理論 / 電場増強効果 / 2次元SSHモデル / トポロジカル状態 / ARPES解析 / 2次元材料 / 電子物性 / 数理モデル / 光学特性 / 有効質量近似 / 層間相互作用 / 光電場増幅 / 光電場変調 / 第一原理計算 / 計算物理 / ナノ材料 / 電子・電気材料

Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに、2次元材料であるグラフェン、六方晶窒化ホウ素、窒化炭素においてフェムト秒レーザーによる電場増強効果があることがわかり、本年度はレーザーによる水分子分解反応に必要なレーザーパワー閾値を2次元材料近傍にて2倍近くも下げることが出きることを時間依存密度汎関数理論によるシミュレーションで見出した。この結果はPhys. Rev. B誌に結果を掲載された。さらにカーボンナノチューブ近傍では、パワー閾値を4分の1にまで減少できることも見出し、現在論文執筆中である。これらの知見は、フェムト秒レーザーという光量の大きな光源による化学反応を増強する効果を2次元材料が有していることを強く示唆するものである。
また２次元SSHモデルを層状に積層した系において電子状態やトポロジカル状態の解明を行った。されに、ARPESによる表面状態観測データ解析の高度化、自動化のため情報理論に基づく手法開発を行った。２次元SSHモデルを層状に積層したモデルの電子状態を計算し、ヒンジに局在した「トポロジカル・コーナー」状態を示した。２次元コーナーの角度を変えて、「トポロジカル・コーナー」状態が出現する角度を明らかにした。一般の多角形において、出現するコーナー状態の数とその条件を解明した。このモデルは、対称性を何も想定しないところに特徴があり、今年度幾つかのグループから提案があった結晶トポロジカル絶縁体のコーナー、ヒンジ状態とは異なる。原子層表面のARPES観測データ解析において、一方情報理論に基づいたモデル選択の手法を開発した。テストデータを用いて、ディラックコーンの有無を高精度で判別できることを例示した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Application of the Real-Time Time-Dependent Density Functional Theory to Excited-State Dynamic of Molecules and 2D Materialss (2018)
  • Author(s): Y. Miyamoto, A. Rubio
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Issue: 4 Pages: 041016-041016
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.041016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling of laser-pulse induced water decomposition on two-dimensional materials by simulations based on time-dependent density functional theory (2017)
  • Author(s): Miyamoto Yoshiyuki、Zhang Hong、Cheng Xinlu、Rubio Angel
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 11 Pages: 115451-115451
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.115451
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical Properties of Oxidized Single-Wall Carbon Nanotubes (2016)
  • Author(s): Mari Ohfuchi, Yoshiyuki Miyamoto
  • Journal Title: CARBON Volume: 14 Pages: 418-423
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2016.12.052
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two-dimensional wide-band-gap nitride semiconductors: Single-layer 1T-XN2 (X = S, Se, and Te) (2016)
  • Author(s): Ja-He Lin, Hong Zhang, Xinlu Cheng, Yoshiyuki Miyamoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Issue: 19 Pages: 195404-195404
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.195404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Boundary conditions at closed edge of bilayer graphene and energy bands of collapsed nanotubes (2016)
  • Author(s): Takeshi Nakanishi and Tsuneya Ando
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Issue: 15 Pages: 155401-155401
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.155401
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ARPESに対するベイズ的スペクトル分解：バンド分散のモデル選択 (2018)
  • Author(s): 徳田;悟，相馬;清吾，佐藤;宇史，高橋;隆，中西 毅
  • Organizer: 日本物理学会 第７３回年次大会, 東京理科大学,千葉
• [Presentation] トポロジカルにまもられたコーナー状態とシステム形状依存性について (2018)
  • Author(s): 吉村 幸徳, 林 晋, 中西 毅
  • Organizer: 日本物理学会 第７３回年次大会, 東京理科大学,千葉
• [Presentation] 多極子トポロジカル絶縁体・ポンプ系とコーナー状態／不変量 (2018)
  • Author(s): 井村 健一郎, 吉村 幸徳, 林 晋, 中西 毅
  • Organizer: 日本物理学会 第７３回年次大会, 東京理科大学,千葉
• [Presentation] Effective-mass theory of inter-layer interaction in bi-layer graphene and collapsed carbon nanotubes (2018)
  • Author(s): T. Nakanishi
  • Organizer: 14th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (ICCMSE 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laser-induced water decomposition near 2D sheets studied by TDDFT (2018)
  • Author(s): Y. Miyamoto, H. Zhang, X. Cheng, A. Rubio
  • Organizer: APS March Meeting, Los Angels
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhancement of laser-induced water decomposition by 2D sheets studied by first-principles simulations II (2017)
  • Author(s): Yoshiyuki Miyamoto
  • Organizer: フラーレンナノチューブグラフェン学会総合講演会
  • Place of Presentation: 東大本郷キャンパス、東京
  • Year and Date: 2017-03-01
• [Presentation] Application of real-time TDDFT approach on ultra-fast phenomena in condensed matters (2017)
  • Author(s): Y. Miyamoto
  • Organizer: Telluride School on Time Dependent Density Functional Theory
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comparison of electronic and photo-chemical properties of carbon nanotube and graphene studied by TDDFT simulations (2016)
  • Author(s): Yoshiyuki Miyamoto
  • Organizer: CNT25
  • Place of Presentation: 東工大大岡山キャンパス、東京
  • Year and Date: 2016-11-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effective-mass theory for collapsed carbon nanotubes and bilayer graphene with closed edges (2016)
  • Author(s): Takeshi Nakanishi
  • Organizer: CCTN16, Univ. Viena, Austria
  • Place of Presentation: ウィーン大学、ウィーン、オーストリア
  • Year and Date: 2016-08-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Theory for UV to THZ light conversion using graphene nano-ribbons (2016)
  • Author(s): Yoshiyuki Miyamoto
  • Organizer: NT16, Univ. of Viena, Autrial
  • Place of Presentation: ウィーン大学、ウィーン、オーストリア
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic states of collapsed carbon nanotubes: Displaced bilayer graphene with closed edges (2016)
  • Author(s): Takeshi Nakanishi, Tsuneya Ando
  • Organizer: NT16, Univ. Viena Austria
  • Place of Presentation: ウィーン大学、ウィーン、オーストリア
  • Year and Date: 2016-08-07