Theoretical study of spin-phonon control in transition metal dichalcogenides

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K05201
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 植田 暁子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70453537)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 遷移金属ダイカルコゲナイド / 2次元層状物質 / デバイスシミュレーション / スピン軌道相互作用 / 電子格子相互作用 / スピン・フォノン変換

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、遷移金属ダイカルコゲナイド単層膜の示すスピン・フォノン相関を用いた新原理デバイスの提案を目指している。今年度は、ゲート電圧を用いて、スピン・フォノン変換を行うデバイスを考え、デバイスが予想通り動作するかを理論的に検証した。具体的には、二流化硫黄の系にカイラルフォノンによる電子格子相互作用と、スピン軌道相互作用を取り入れた理論モデルを考え、電気伝導の電圧依存性をケルディッシュグリーン関数法で計算した。相互作用は摂動計算で取り入れた。計算結果を物理学会にて発表する予定だったが、摂動で取り入れた相互作用のエネルギー保存に懸念点があったため、物理学会での発表を取り下げた（このような場合、研究期間を延長すべきであるが、取り下げたのが延長申請の後であったため、間に合わなかった）。
研究期間を通して、遷移金属ダイカルコゲナイド単層膜において、スピン・フォノン相関が電気的特性、磁気的特性に値得る影響を理論的に調べ、新規デバイスの提案を目指した。
二硫化硫黄において、スピン軌道相互作用と電子フォノン相互作用が磁気特性に与える影響を議論した。スピン緩和を起こす機構として、Elliot-Yaffet (EY)相互作用とD’yakonov-Perel’ (DP) 相互作用を考慮し、電子格子相互作用も取り入れて、スピン・フォノン相関とスピン帯磁率との関係を考察し、実験における温度依存性の説明に成功した。また、スピン・フォノン変換デバイスの設計のため、二次元半導体トランジスタのデバイスシミュレーターの開発を行い、二硫化硫黄トランジスタの伝導特性を議論した。