2017 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical calculations on the effects of local high electric fields at interface atomic/molecular layers
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15H03561
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
渡邉 聡 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00292772)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南谷 英美 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (00457003)
安藤 康伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (00715039)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 計算物理 / ナノ材料 / 電界効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
情報デバイスやエネルギー変換デバイスの動作の鍵を握る絶縁体層－電極界面付近の数原子・数分子層における印加電圧による状態変化を主に第一原理計算を用いて解析し、平成29年度は以下の結果を得た。
１）有機分子層：Fephen分子をCu(001)基板上に載せた系におけるFephenの磁性の外部電場に対する応答を解析した。この分子は高スピン・低スピンの２つの状態を有するが、5.1V/nmまでの電場の範囲では電場印加により両状態のエネルギー差は変化するものの両者の逆転は見られなかった。また、電場印加により再安定な吸着構造が変化することがわかった。
２）原子層物質：まずWTe2薄膜の構造と電子状態を解析し、表面構造緩和によりフェルミ面の形状とトポロジーが顕著に変化することを明らかにした。さらに、層内の電荷補償の様子が層数に対して単調でない振舞いを見せ、これにより電気双極子が力学的に制御可能となることや表面と裏面でフェルミ面が異なること等を明らかにした。
次にMXene電極がもつ静電容量を解析するため、水和イオンのインターカレーションおよび内部電場の様子を、古典溶液理論（RISM）と第一原理計算を組み合わせた手法によって計算した。この結果、イオンと電極の間の電位変化や水分子の分布を得ることができた。
３）抵抗変化素子等の状態スイッチング素子：金－リン酸リチウム接合系に対する欠陥生成エネルギーの第一原理計算と連続体模型を用いた解析が一段落し、電場印加によるLiイオン分布変化領域がnmスケールに留まると結論した。また、電場応答を考慮した機械学習ポテンシャル作成に向け、電場応答に重要なボルン有効電荷の振舞いを明らかにしつつある。
なお、これらの系に関する理論計算結果の解釈が難しいケースが多く得られた。これらに対応するため、インフォマティクスの手法を用いた効率的自動解析を用いた解釈方法について検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１）有機分子層については、Fephenという新たな系の解析に取り組み、電場応答の振舞いを明らかにすることができた。２）原子層物質については、WTe2とMXeneについて、電場応答に関係する興味深い振舞いを明らかにすることができた。３）抵抗変化素子等については、電場印加によるイオン分布変化について解明するとともに、別手法でのさらなる解析に向けた準備が進んだ。
以上から、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は最終年度であることから、これまでの計算結果を整理してより包括的な理解を得ることを目指す。機械学習ポテンシャルによる解析やインフォマティクス手法による効率的自動解析等、本研究終了後の展開も念頭に置いた手法開発も進めていく。個々の対象については、以下のように進める。
１）有機分子層：銅基板上のFephen分子等の電場応答を、特にスピン状態の電場による制御の可能性に注目して解析する。
２）不揮発記憶素子：酸化タンタルやリン酸リチウムを用いた不揮発性記憶素子におけるイオン挙動を、特に電場応答の観点から解析する。連続体近似と連成した計算によるメゾスケールでの電位分布やイオン分布も考慮した理論解析、およびニューラルネットワークポテンシャルを用いた分子動力学計算によるイオン移動挙動の解析を進める。
３）原子層物質：遷移金属ダイカルコゲナイド等の原子層物質上に磁性金属原子を載せた系における磁性の電場による制御の可能性を探る。
４）Liイオン電池等における固液界面でのイオン吸着安定性と溶媒種の関係について、電場印加の影響等に注目して解析する。
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[Journal Article] Visualizing Type-II Weyl Points in Tungsten Ditelluride by Quasiparticle Interference2017
Author(s)
C.-L. Lin, R. Arafune, R.-Y. Liu, M. Yoshimura, B. Feng, K. Kawahara, Z. Ni, E. Minamitani, S. Watanabe, Y. Shi, M. Kawai, T.-C. Chiang, I. Matsuda, N. Takagi
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Journal Title
ACS Nano
Volume: 11
Pages: 11459-11465
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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