電子格子相互作用に起因する電子物性解明と物質設計

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 25104711
• 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: The Institute of Physical and Chemical Research (2014); Tokyo Institute of Technology (2013)
• Principal Investigator: 是常 隆 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (90391953)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2013: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 物性理論 / 第一原理計算 / 電子格子相互作用

Outline of Annual Research Achievements

近年グラフェンの応用が盛んに議論されているが、実用的にはなんらかの方法でバンド構造、特にバンドギャップを制御することが非常に重要となる。そこで前年度開発した、電子格子相互作用に起因する電子状態の変化を第一原理的に計算する手法を用いて、グラフェンにおける同位体を用いたバンド構造制御の可能性を調べた。その結果、電子格子相互作用によってグラフェンのバンド構造が数十meVのオーダーで変化することが分かった。これは、12Cのみでできたグラフェンと13Cのグラフェンでバンド構造が数meVのオーダーで変化することを示している。特に、グラフェンの仕事関数、すなわちDirac点の真空準位からの深さが12Cと13Cで異なることが分かった。これは、12Cと13Cからなるグラフェンの接合を作れば、自動的にpn接合ができることを意味している。また、12Cグラフェンと13Cグラフェンからなる2層グラフェンも興味深い電子状態を示すことが期待される。さらには、同位体を周期的に並べるだけでその周期を制御できればギャップを開けることができることを示した。
また、今後の物質設計に向けて、物質の表面構造に着目し結晶内部と表面でどのような構造の違いが現れるか、さらにはそれがどう物性に寄与するかを、テトラセンを例にとって調べた。その結果、テトラセンでは表面一層だけ結晶内部と大きく構造が異なることが実験的に観測され、理論的にも第一原理計算によって表面構造が大きく変化しうることが分かった。さらにはその構造変化が輸送特性に大きな違いをうむことを明らかにした。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Large surface relaxation in the organic semiconductor tetracene (2014)
  • Author(s): Hazuki Morisaki, Takashi Koretsune, Chisa Hotta, Jun Takeya, Tsuyoshi Kimura and Yusuke Wakabayashi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5 Issue: 1 Pages: 54001-6
  • DOI: 10.1038/ncomms6400
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electronic Structures of Carbon-Doped Hexagonal Boron Nitride Sheet: A Density-Functional Study (2014)
  • Author(s): Yoshitaka Fujimoto, Takashi Koretsune, and Susumu Saito
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 1 Pages: 0120661-4
  • DOI: 10.7566/jpscp.1.012066
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electronic structures of hexagonal boron-nitride monolayer: strain-induced effects (2014)
  • Author(s): Yoshitaka Fujimoto, Takashi Koretsune and Susumu Saito
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 122 Issue: 1425 Pages: 346-348
  • DOI: 10.2109/jcersj2.122.346
  • NAID: 130004950951
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lattice matching and electronic structure of finite-layer graphene/h-BN thin films (2014)
  • Author(s): Y. Sakai, S. Saito and M. L. Cohen
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Issue: 11 Pages: 1154241-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.115424
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron-phonon coupling and superconductivity in Li-intercalated layered borocarbide compounds (2014)
  • Author(s): T. Bazhirov, Y. Sakai, S. Saitoa and M. L. Cohen
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Issue: 4 Pages: 0451361-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.045136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluating model parameters of the κ- and β’-type Mott insulating organic solids (2014)
  • Author(s): T. Koretsune and C. Hotta
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 89 Issue: 4 Pages: 0451021-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.045102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermolecular interactions and substrate effects for an adamantane monolayer on a Au (111) surface (2013)
  • Author(s): Y. Sakai, G. D. Nguyen, R. B. Capaz, S. Coh, I. V. Pechenezhskiy, X. Hong, F. Wang, M. F. Crommie, S. Saito, S. G. Louie and M. L. Cohen
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 88 Issue: 23 Pages: 2354071-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.235407
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isotope composition dependence of the band-gap energy in diamond (2013)
  • Author(s): H. Watanabe, T. Koretsune, S. Nakashima, S. Saito, and S. Shikata
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 88 Issue: 20 Pages: 2054201-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.205420
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energetics and electronic properties of heavily nitrogen-doped titanium dioxide (2013)
  • Author(s): Y. Aoki and S. Saito
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 121 Issue: 1412 Pages: 373-376
  • DOI: 10.2109/jcersj2.121.373
  • NAID: 130004950838
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ナフタレンをベースとした 有機分子における超伝導 (2015)
  • Author(s): 是常 隆
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Isotope dependence of the electronic structure of graphene (2015)
  • Author(s): Takashi Koretsune
  • Organizer: APS March Meeting
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] Isotope effect on the band structure of graphene (2014)
  • Author(s): Takashi Koretsune
  • Organizer: ISC-QSD2014
  • Place of Presentation: Univ. Tokyo
  • Year and Date: 2014-12-01 – 2014-12-03
• [Presentation] κ-(ET) Xにおける モデルパラメータの導出 (2014)
  • Author(s): 是常 隆
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 同位体を用いたグラフェン のバンド構造制御 (2014)
  • Author(s): 是常 隆
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Band Structure Engineering in Graphene using Isotope Effect (2014)
  • Author(s): Takashi Koretsune
  • Organizer: 第47回フラーレンナノチューブグラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-09-03 – 2014-09-05
• [Presentation] 半導体バンドギャップの温度依存性 (2014)
  • Author(s): 是常 隆
  • Organizer: 新学術領域研究「コンピューティクスによる物質デザイン」平成25年度研究会
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 半導体のバンド幅に対する電子格子相互作用の効果 (2014)
  • Author(s): 是常 隆、斎藤 晋
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学
• [Presentation] 単層 h-BN、二層 h-BN、および関連物質系の電子物性：異種原子ドープと複合膜化による物性制御と物質設計 (2014)
  • Author(s): 斎藤 晋
  • Organizer: 日本表面科学会 第80回表面科学研究会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Invited
• [Presentation] カーボンナノチューブの詳細構造 における格子振動の効果 (2013)
  • Author(s): 是常 隆、加藤 幸一郎、斎藤 晋
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学
• [Presentation] Effect of lattice vibration on the geometry of carbon nanotubes (2013)
  • Author(s): Takashi Koretsune, Koichiro Kato and Susumu Saito
  • Organizer: 第45回フラーレンナノチューブグラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] 原子膜からなる系の電子構造と物性予測：ナノチューブ・グラフェン・ＢＮ膜とそれらの複合系を中心に (2013)
  • Author(s): 斎藤 晋
  • Organizer: 第１１回ナノ学会大会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Invited
• [Presentation] Electronic Properties of Graphene- and Silicene-Based Composite Atomic-Layer Materials (2013)
  • Author(s): S. Saito
  • Organizer: 新世代研究所平成２５年度第一回ナノカーボン研究会
  • Place of Presentation: 蔵王
  • Invited
• [Presentation] Boron, Carbon, and Nitrogen-based Nanostructured Materials: A First-Principles Study and Tight-Binding-Model Study (2013)
  • Author(s): S. Saito
  • Organizer: CECAM Workshop Modeling Physical Properties of Clustering Crystal
  • Place of Presentation: EPFL, Lausanne, Switzerland
  • Invited
• [Presentation] Electronic Properties of Graphene-, Hexagonal BN Layer-, and Silicene-Based Atomic-Layer Materials (2013)
  • Author(s): Yuki Sakai, Takashi Koretsune, Yoshitaka Fujimoto, and Susumu Saito
  • Organizer: 4th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Energy and Electronics
  • Place of Presentation: Jeju, South Korea
  • Invited
• [Presentation] Geometries, Electronic Properties, and Materials Design of Carbon Nanostructures and Related Materials (2013)
  • Author(s): S. Saito
  • Organizer: HKUST-IAS Workshop on Recent Advances in Condensed Matter Physics and Optics
  • Place of Presentation: 香港科学技術大学 高等研究院
  • Invited
• [Book] Carbon-based Superconductors - Towards High-Tc Superconductivity (2014)
  • Author(s): Takashi Koretsune and Susumu Saito
  • Total Pages: 13
  • Publisher: Pan stanford publishing