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2012 Fiscal Year Annual Research Report

グラフェンおよび関連ナノ物質の量子輸送現象に関する理論的研究

Research Project

Project/Area Number 11F01201
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

若林 克法  独立行政法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) DUTTA S.  独立行政法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 外国人特別研究員
Keywordsグラフェン / エッジ効果 / 炭素磁性 / BC3 / 配置間相互作用 / 第一原理計算
Research Abstract

一原子層の炭素原子膜であるグラフェンの電子状態は、システムサイズやエッジの形状に大きな影響を受ける。特に、系のサイズがナノスケ-ルなると電子物性はバルクのものとは大きく異なることを受け入れ研究者のグループが理論的に解明してきた。本研究では、グラフェンにおけるナノスケール・エッジ効果に着目し、電子状態への量子多体効果を理論的に解明を進める。
前年度、ナノグラフェンのエッジに現れる磁性状態に関して、配置間相互作用(Cl}の方法を用いて、電荷およびスピン励起エネルギースペクトラムを解析した。その結果、ホールドーピングに対して、電荷励起ギャップ、スピン励起ギャップ共に、急激に減少することを見出した。そこで本年度は、密度汎関数理論に基づく局所スピン密度近似による第一原理計算を、グラフェンナノリボンに適用し、さらなる解析を進めた。ジグザグナノリボンに、ホウ素終端を施すことで、系にホールが導入されトータルの磁化が有限になる得る強磁性状態を見いだした。さらに、この系はフェルミ準位近傍において線形分散を保持し、金属的になることもを明らかにした。この結果は、ナノグラフェンにおける金属強磁性体を設計する指針を与えるものである。
さらに、グラフェンの他に、半導体原子膜であるBC3におけるナノスケール・エッジ効果についても、理論解析を実施した。BC3ナノリボンの電子状態を、第一原理計算によって行ない、エッジでの最安定構造を系の芳香族性の観点から明らかにした。また、リボン幅の増加に対してエネルギーギャップが減少する特異な振る舞いを指摘した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、ナノグラフェンにおける磁性状態に関して、配置間相互作用の方法と第一原理計算による解析を併用することで、ホールドーピング効果に対する理解を大きく進展させることに成功した。本成果は、既に幾つかの国内および国際会議において発表をおこなった。また、論文として出版された。これらのことから、研究計画は、概ね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題で得られた理論成果と、実験との整合を図るのが今後の研究推進の一つの方針となる。さらには、計算手法の拡張も重要な課題として残されている。既存のCIプログラムをKineticMasterEquationのアプローチと組み合わせることで、相関が強い系での電子スピン輸送への問題へ適用することが期待される。

  • Research Products

    (10 results)

All 2013 2012

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (7 results)

  • [Journal Article] Tuning Charge and Spin Excitations in Zizag Edge Nanographene Ribbons2012

    • Author(s)
      Sudipta Dutta, Katsunori Wakabayashi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 2 Pages: 519-1-7

    • DOI

      10.1038/srep00519

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Anomalous energy-gap behaviour of armchair BC3 ribbons due to enhanced pi-conjugation2012

    • Author(s)
      Sudipta Dutta, Katsunori Wakabayashi
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry

      Volume: 22 Pages: 20881-20884

    • DOI

      10.1039/C2JM34881K

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nanoscale and edge effects on electronic properties of graphene2012

    • Author(s)
      K. Wakabayashi, S. Dutta
    • Journal Title

      Solid States Communications

      Volume: 152 Pages: 1420-1430

    • DOI

      10.1016/j.ssc.2012.04.025

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Edge Effect on Charge and Spin Excitations in Nanoscale Graphene2013

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi, Sudipta Dutta
    • Organizer
      MANA International Symposium 2013
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場(招待講演)
    • Year and Date
      2013-03-01
  • [Presentation] Tuning Charge and Spin Excitations in Nanoscale Graphene2013

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi, Sudipta Dutta
    • Organizer
      NSC/NIMS/NTU Workshop on Advanced Materials and NSC/NIMS Acadmic Collaboration
    • Place of Presentation
      国立台湾大学(台北)(招待講演)
    • Year and Date
      2013-01-10
  • [Presentation] Electron transport and magnetism of nanoscale graphene2012

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2012)
    • Place of Presentation
      ハロングシティ(ベトナム)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-11-02
  • [Presentation] Electron transport and magnetism of nanoscale graphene2012

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi
    • Organizer
      1st International Conference of Emerging Advanced Nanomaterials (ICEM 2012)
    • Place of Presentation
      ブリスベン(オーストラリア)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-10-24
  • [Presentation] Electron transport and magnetism of nanoscale graphene2012

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi
    • Organizer
      International Union of Materials Research Societies - International Conference on Electronic Materials 2012 (IUMRS-ICEM2012)
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(招待講演)
    • Year and Date
      2012-09-24
  • [Presentation] Electronic transport properties and edge magnetism of nanoscale graphene2012

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi
    • Organizer
      Workshop on Topology in Physics and Material Sclence
    • Place of Presentation
      物質・材料研究機構(つくば)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-08-29
  • [Presentation] Electronic transport properties and edge magnetism of nanoscale graphene2012

    • Author(s)
      Katsunori Wakabayashi
    • Organizer
      International Conference on Superconductivity and Magnetism 2012 (ICSM2012)
    • Place of Presentation
      イスタンブール(トルコ)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-05-01

URL: 

Published: 2014-07-16  

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