2019 Fiscal Year Annual Research Report
ハイブリッドナノチューブの電子デバイス応用に向けた分子シミュレーション
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19J13818
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
久間 馨 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 窒化ホウ素 / 密度汎関数理論 / 分子動力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究課題名にある「ハイブリッドナノチューブ」は「1次元ファンデルワールスヘテロ構造」あるいは「ヘテロナノチューブ」とも呼ばれる。このようなヘテロナノチューブは種々の多様な元素により構成されたナノチューブを組み合わせることでこれまでにはなかった様々な物性の発現および電子デバイスなどへの応用が期待できるが、合成方法やそのメカニズム、詳細な物性については未解明な点が多く残されている。申請者の所属する研究グループでは、ヘテロナノチューブの実験的合成に成功し、本年度に論文発表を行った。申請者は本論文の共著者の一人として、ヘテロナノチューブのエネルギー的な安定性についての理論的な考察を担当し、チューブ状になった際の曲率による歪みエネルギーの大きさを調べることで、実験で得られているMoS2層の直径が3.5 nm以上である理由を考察した。また、これとは別に、代表的なヘテロナノチューブであるカーボンナノチューブ内包窒化ホウ素ナノチューブの電子物性に関して密度汎関数理論を用いて調べ、半導体カーボンナノチューブを内包するBNナノチューブはフェルミレベル付近のカーボンナノチューブの電子状態を保持しキャリア注入が可能であること、及びバンドギャップは二種類のナノチューブ間のスタッキングによって数十meV程度のわずかな変調を受けることを明らかにし、主著論文を発表した。また、ヘテロナノチューブの熱物性に関しても研究し、遷移金属カルコゲンナノチューブの熱伝導率計算を行い、直径や長さ、カイラリティ依存性について調べ学会発表を行った。以上のように本研究課題ではヘテロナノチューブのデバイス応用に向けて「合成メカニズム」、「電子物性」および「熱物性」を理解する必要があるが、以上のようにそれらについて広範に研究を行っている。
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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
本研究課題は、カーボンナノチューブや窒化ホウ素(BN)ナノチューブ、二硫化モリブデン(MoS2)ナノチューブなどのヘテロ構造に関する理論的な研究である。試料の合成、物性の予想・測定などがあまり進んでいないため、本研究ではそれらの電子デバイス応用を念頭に、合成メカニズムと物性の解明を分子シミュレーションの手法を用いて理解することを目標としている。応用先の電子デバイス、例えば電界効果トランジスタなどの特性を予測するためには、合成メカニズム、電子物性、熱物性を理解する必要があり、本研究ではそれらの全てを扱っている。合成メカニズムについては、米国Rice大学での共同研究を開始し、カーボンナノチューブの周りにBNナノチューブが合成されるメカニズムの分子動力学シミュレーションを行った。短いBNチューブ片がカーボンナノチューブ上で成長する様子を再現し、今年6月に開催予定だった国際学会NT20への発表を準備していたが当該学会が延期になり、現在研究を継続して論文の投稿を予定している。また、電子状態に関しては、カーボンナノチューブを内包したBNナノチューブの電子状態について密度汎関数理論を用いて計算し、これまで報告のなかった半導体カーボンナノチューブが内包された場合を明らかにし、キャリア注入が可能であることや、二種類のナノチューブ間のスタッキングによるバンドギャップ変調について論文を発表した。また、ナノチューブの物性は一本が孤立している状態と、何本も束になっている(バンドル)状態では変化しうる。これまで報告がなされていないMoS2ナノチューブバンドルの電子状態について計算し、電子構造の変調を学会で報告した。さらに、熱物性に関しても研究を開始し、熱物性があまり知られていないMoS2ナノチューブに関して熱伝導率について分子動力学法を用いて計算し、その結果を学会で発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヘテロナノチューブの合成メカニズムについて、カーボンナノチューブの周りにBNナノチューブが合成されるメカニズムの分子動力学シミュレーションについて研究を進め、核生成および複数の核からの成長メカニズムについて考察し、実験との比較を行い論文にまとめる予定である。また、電子状態に関しては、MoS2ナノチューブバンドルの電子状態についての計算を進め、直径やカイラリティに依存した電子状態の変調について詳細に分析中であり、論文を準備している。熱物性に関しては、MoS2ナノチューブの熱伝導率について分子動力学法を用いて計算し、直径、カイラリティ、長さに依存した違いを解析しているが、その理由づけとして、フォノン群速度や緩和時間を計算しているところであり、それらを評価した上で論文にまとめる予定である。
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Research Products
(6 results)
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[Journal Article] One-dimensional van der Waals heterostructures2020
Author(s)
R. Xiang, T. Inoue, Y. Zheng, A. Kumamoto, Y. Qian, Y. Sato, M. Liu, D. Tang, D. Gokhale, J. Guo, K. Hisama, S. Yotsumoto, T. Ogamoto, H. Arai, Y. Kobayashi, H. Zhang, B. Hou, A. Anissimov, M. Maruyama, Y. Miyata, S. Okada, S. Chiashi, Y. Li, J. Kong, E. I. Kauppinen, Y. Ikuhara, K. Suenaga, S. Maruyama
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Journal Title
Science
Volume: 367
Pages: 537-542
DOI
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