ナノ接合での熱電変換と局所加熱、熱散逸の第一原理シミュレーション

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 25104724
• 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: 中村 恒夫 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センター, 主任研究員 (30345095)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 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: 計算シミュレーション / 非平衡伝導理論 / 熱電素子 / ナノエレクトロニクス / 計算物理 / 理論化学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、電気･熱伝導物性の直接的な予測とともに、第一原理計算データからの理論解析による複合過程の機構解明、物質設計指針を得るための機能強化を含めた手法構築を行い、SnSe層状化合物のドーピング設計による熱電変換効率計算、分子及び酸化物半導体による抵抗変化型メモリ（ReRAM）のスイッチングについての研究を推進した。
SnSe熱電材料では、低濃度ドーピング系のゼーベック係数計算を可能とする計算大規模化を行い、p型n型それぞれのZTについて、キャリアドープだけでなく化学結合が複合的にZTに影響することを明らかにした。特にZTの異方性がドーピング種に大きく依存し、実験で計測されているZTについての精査が必要であることも示した。またReRAMの抵抗変化については、電子-フォノン散乱効果を含めた全第一原理非平衡伝導計算を行い、変化抵抗の温度依存性と界面酸化還元型ReRAMの機構を明らかにした。この計算は世界的にも類例のないものであり、特にナノスケールでのReRAMでは従来の計算や解析で説明されているものとは全く異なる伝導機構が低抵抗状態を支配しており、界面設計により低消費電力･安定なメモリが可能となることが示唆される。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Competitive effects of oxygen vacancy formation and interfacial oxidation on an ultra-thin HfO2-based resistive switching memory: beyond filament and charge hopping models (2016)
  • Author(s): H. Nakamura and Y. Asai
  • Journal Title: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS Volume: 18 Issue: 13 Pages: 8820-8826
  • DOI: 10.1039/c6cp00916f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The effect of a Ta oxygen scavenger layer on HfO2-based resistive switching behavior: thermodynamic stability, electronic structure, and low-bias transport (2016)
  • Author(s): XL Zhong, I. Rungger, P. Zapol, H. Nakamura, Y. asai, and O. Heinonen
  • Journal Title: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS Volume: 18 Issue: 10 Pages: 7502-751018
  • DOI: 10.1039/c6cp00450d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A supercell approach to the doping effect on the thermoelectric properties of SnSe (2015)
  • Author(s): Y. SUzuki and H. Nakamura
  • Journal Title: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS Volume: 17 Issue: 44 Pages: 29647-29654
  • DOI: 10.1039/c5cp05151g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single molecular resistive switch obtained via sliding multiple anchoring points and varying effective wire length (2014)
  • Author(s): M. Kiguchi, T. Ohto, S. Fujii, K. Sugiyasu, S. Nakajima, M. Takeuchi, and H. Nakamura
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 136 Issue: 20 Pages: 7327-7332
  • DOI: 10.1021/ja413104g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Additive Electron Pathway and Non-additive Molecular Conductance by Using a Multipodal Bridging Compound (2014)
  • Author(s): M. Kiguchi, Y. Takahashi, S. Fujii, M. Takase, T. Narita, M. Iyoda, M. Horikawa, Y. Naitoh, H. Nakamura
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 118 Issue: 10 Pages: 5275-5283
  • DOI: 10.1021/jp4100262
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermoelectric Efficiency of Organometallic Complex Wires via Quantum Resonance Effect and Long-Range Electric Transport (2013)
  • Author(s): Hisao Nakamura, Tatsuhiko Ohto, Takao Ishida, and Yoshihiro Asai
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society Volume: 135 Issue: 44 Pages: 16545-16552
  • DOI: 10.1021/ja407662m
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ab initio theory for current induced molecular switching : Melamine on Cu (001) (2013)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, Ivan Rungger, Yamashita Koichi, Hisao Nakamura, and Stefano Sanvito
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 87 Issue: 20 Pages: 205439-205546
  • DOI: 10.1103/physrevb.87.205439
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First-principles modeling for current-voltage characteristics of resistive random access memories (2013)
  • Author(s): T. Miyazaki, H. Nakamura, K. Nishio, H. Shima, H. Akinaga, Y. Asai
  • Journal Title: MRS Online Proceedings Library Volume: 1562
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 分子架橋系における熱電特性の解明 (2014)
  • Author(s): 中村恒夫
  • Organizer: 日本化学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Invited
• [Presentation] Quantum Resonance Effects to Thermoelectric Property of Organometallic Molecular Materials (2014)
  • Author(s): H. Nakamura
  • Organizer: APS March Meeting
  • Place of Presentation: アメリカ（デンバー）
• [Presentation] ナノ分子接合やデバイスって理論化学でわかりますか？ (2013)
  • Author(s): 中村恒夫
  • Organizer: 第３回CSJ化学フェスタ
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] First-Principles Transport Modeling for Metal/Insulator/Metal Structures (2013)
  • Author(s): T. Miyazaki, H. Nakamura, K. Nishio, H. Shima, H. Akinaga, Y. Asai
  • Organizer: APPC12
  • Place of Presentation: 幕張メッセ