2017 Fiscal Year Annual Research Report
SiC酸化膜形成過程に対する自律的位相空間探索による量子・古典ハイブリッド解析
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16H03830
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
大野 隆央 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, NIMS招聘研究員 (30344435)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
泉 聡志 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30322069)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / 計算物理 / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・4H-SiC/SiO2界面のO2酸化過程に関する第一原理分子動力学解析（PHASE/0を利用、温度は2000K）を界面に導入する酸素量を増加させて引き続き実施し、Si面およびC面における炭素クラスターの生成過程を詳細に解析した。その結果、形成された炭素クラスターの一部が酸化の進行に伴い表面方向に拡散すること、炭素クラスターに含まれるC原子は大部分平面的あるいは鎖状の結合であること、界面準位は炭素クラスターに由来するものが多いが、界面C原子の個数とではなく炭素クラスターの状態と関係が深いこと、などの結果が得られた。
・SiCのO2酸化に加えて、NO分子による後アニール処理（NO酸窒化）の効果を検証するため、第一原理計算（PHASE/0）によるMD解析を行った。4H-SiC(0001)Si面とSiO2酸化膜の理想界面構造を用意し界面近傍の空隙にNO分子を導入し温度を2000Kに保ったMDを行った結果、NO分子が解離反応しNはCに置換しOは押し出されたCに結合する等の炭素窒素置換反応を確認した。
・SiC熱脱離によるグラフェンの成長を解析するため、昨年度、Si-C系の電荷移動型ポテンシャルを開発した。今年度は、開発したポテンシャルを用いて、ステップを有する4H-SiCの高温アニールによるグラフェン成長過程のナノ秒オーダーの長時間古典MD解析を実施した。2500Kでの3.2 ns間のMD後では、C原子の環構造が表面を覆う一方、5,6,7員環の混在した炭素構造となる。この状態から12.8 ns間3000 Kでアニールを行った結果、5,7員環が次第に減少し全体的にフラットな構造へと変化し、ファセット面上では2層，テラス面上では1層からなるグラフェンが形成された。
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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
第一原理計算と古典計算の連携による量子・古典ハイブリッド解析に関しては、SiC酸化膜やSiC熱脱離に適用し論文や学会で発表できるレベルの成果が出ており、量子論に基づいた電荷移動型ポテンシャルの有効性が確認された。SiC酸化シミュレーションやSiC熱脱離グラフェン成長に関しても、実験研究者との密な議論の下で理解が進展しており、全体としておおむね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
・第一原理MD解析は高精度であるが計算負荷が高く大規模・長時間の解析が困難である。昨年度に引き続き、第一原理MD解析をより長時間化するため計算負荷の軽減を図る。第一原理計算における部分空間対角化、GS直交化、非局所ポテンシャル積分等の高い計算負荷の演算に関して、アルゴリズムの開発、及びプログラムの改良を実施する。
・SiC/SiO2界面のような半導体/酸化膜界面では、結合配位の変化に応じて原子の持つ価電状態が大きく変化することがあり、古典力場を最適化することは困難である。昨年度に引き続き、第一原理計算を参照として、遺伝的アルゴリズムに基づいて半自動的に実施している古典力場の最適化法を改良し、位相空間内を自律的・統計的にサンプリングし、その探索領域を格段に広げるスキームの開発を目指す。
・第一原理および古典力場によるSiC/SiO2界面酸化シミュレーションを引き続き実施する。SiC/SiO2界面近傍における炭素クラスター形成、CO脱離、欠陥準位形成等の界面形成過程を実験研究と連携しつつ探索しSiC酸化機構の理解の深化を図る。また酸窒化過程も検討する。
・SiC熱脱離によるグラフェン成長過程の長時間古典MD解析を進め、SiC酸化膜以外の界面形成過程への量子・古典ハイブリッド手法の適用拡大を図る。
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Research Products
(12 results)
