電界印加密度汎関数計算による原子層デバイスのキャパシタンスの解析

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 26107514
• 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 University of Tokyo
• Principal Investigator: 安藤 康伸 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00715039)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2015: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2014: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 二層グラフェン / 量子キャパシタンス / 密度汎関数法 / MXene / 電界印加密度汎関数法

Outline of Annual Research Achievements

平成27年度は平成26年度に引き続き複層グラフェンの電子ドープ時の電子状態変化についての研究、及び複層グラフェン以外の物質について基盤が原子層物質に与える影響や電界応答、電子状態の制御に関する研究を行った。成果課題として「新規層状物質群MXenesの表面原子吸着による電子状態制御の予測」が挙げられる。2011年に発表された新規二次元層状物質群MXenesは、遷移金属原子によるM siteと炭素または窒素からなるX siteからなる層状物質群であり、多様な組成を取るため物質設計の観点からも非常に重要な物質群である。我々は表面終端構造による当該物質の電子状態制御の可能性を第一原理計算によって検討した。表面吸着子にはH, Li, Naを採用した。その結果、MXene酸化物Ti2CO2は0.44 eVのバンドギャップを持っているが、表面にH, Li, Naを吸着させた原子モデルでは、安定吸着サイトや吸着種の違いによらず、金属的なバンド構造をもつことがわかった。この結果は、化学ドーピングや電界制御ドーピングより簡便なドープ量制御や吸着量による電気伝導性制御能性を示唆しており、今後の電子素子への応用可能性を大きく広げる結果だと言える。
その他の成果として、
(1)二層グラフェンへの電子ドープが与えるバンド構造変化の理論的見積もりに成功
(2)単層Germaneneの電子特性を保つ原子層基盤の発見
(3)SiC(0001)基板上のエピタキシャルGrapeheneの構造及び電子状態の理論評価
があげられる。特に（1）の成果は当該新学術領域内の共同研究として進められた。これらの成果は連携研究者成果を含め論文３報, 学会発表７件の成果を上げた。また本プロジェクト研究成果物として１報の論文を現在作成中である。

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] DFT calculations on atom-specific electronic properties of G/SiC (0001) (2016)
  • Author(s): M Kajihara, T Suzuki, SMF Shahed, T Komeda, E Minamitani, S Watanabe
  • Journal Title: Surface Science Volume: 647 Pages: 39-44
  • DOI: 10.1016/j.susc.2015.12.004
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] First-principles study of metalinsulator control by ion adsorption on Ti2C MXene dioxide monolayers (2016)
  • Author(s): Y. Ando, and S. Watanabe
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 6 Issue: 1 Pages: 015001-4
  • DOI: 10.7567/apex.9.015001
  • NAID: 210000137756
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electronic Structure of Quasi-free-standing Germanene on Monolayer MX (M=Ga, In; X=S, Se, Te) (2015)
  • Author(s): Z. Ni, E. Minamitani, Y. Ando, and S. Watanabe
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 17 Issue: 29 Pages: 19039-19044
  • DOI: 10.1039/c5cp02428e
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] MXene 酸化物 Ti2CO2 の原子吸着による金属化に関する第一原理計算 (2016)
  • Author(s): 安藤 康伸, 渡邉 聡
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 (宮城県 仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 第一原理計算による二層グラフェンデバイスのキャパシタンスの解析 (2015)
  • Author(s): 森雄太郎, 南谷英美, 安藤康伸, 笠松秀輔, 金山薫, 長汐晃介, 渡邉聡
  • Organizer: 第３５回表面科学会学術講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] Theoretical study of the surface interaction between germanene and MX (M=Ga, In; X=S, Se, Te): towards germanene with Dirac-cone (2015)
  • Author(s): Zeyuan Ni, 南谷英美, 安藤康伸, 渡邉聡
  • Organizer: 第３５回表面科学会学術講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] MXene 化合物 Ti2CO2 上への原子吸着による金属絶縁体制御に関する理論研究 (2015)
  • Author(s): 安藤 康伸, 渡邉 聡
  • Organizer: 第３５回表面科学会学術講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] 原子吸着による MXenes 酸化物 Ti2CO2 の金属化に関する第一原理計算 (2015)
  • Author(s): 安藤 康伸, 渡邉 聡
  • Organizer: 第41回固体イオニクス討論会
  • Place of Presentation: 北海道大学工学部（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-11-25
• [Presentation] Theoretical analysis of the quantum capacitance of charged bilayer graphene with applied electric field (2015)
  • Author(s): Yutaro Mori, Emi Minamitani, Yasunobu Ando, Shuusuke Kasamatsu, Kaoru Kanayama, Kosuke Nagashio, Satoshi Watanabe
  • Organizer: NT15
  • Place of Presentation: 名古屋大学, 愛知県
  • Year and Date: 2015-06-29 – 2015-07-03
• [Presentation] Electronic structure of quasi-free-standing germanene on monolayer MX (M=Ga, In; X=S, Se, Te): density functional calculations (2015)
  • Author(s): Zeyuan Ni, Emi Minamitani, Yasunobu Ando, Satoshi Watanabe
  • Organizer: NT15
  • Place of Presentation: Nagoya University, Nagoya, Aichi, Japan
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical analysis of the quantum capacitance of charged bilayer graphene with applied electric field (2015)
  • Author(s): Yutaro Mori, Emi Minamitani, Yasunobu Ando, Shuusuke Kasamatsu, Kaoru Kanayama, Kosuke Nagashio, Satoshi Watanabe
  • Organizer: NT15
  • Place of Presentation: Nagoya University, Nagoya, Aichi, Japan
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 理論計算による二層グラフェンデバイスのキャパシタンス解析 (2015)
  • Author(s): 森雄太郎, 南谷英美, 安藤康伸, 笠松秀輔, 金山薫, 長汐晃輔, 渡邉聡
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学, 東京都
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-25
• [Presentation] 二層グラフェンのキャパシタンスの第一原理計算 (2014)
  • Author(s): 森雄太郎, 南谷英美, 安藤康伸, 笠松秀輔, 金山薫, 長汐晃輔, 渡邉聡
  • Organizer: 日本表面物理学会
  • Place of Presentation: くにびきメッセ, 松江市, 島根県
  • Year and Date: 2014-11-06 – 2014-11-08
• [Presentation] 電場下の二層グラフェンにおける量子キャパシタンスの 理論計算 (2014)
  • Author(s): 森雄太郎, 南谷英美, 安藤康伸, 笠松秀輔, 金山薫, 長汐晃輔, 渡邉聡
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学, 愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10