２次元単層物質ヘテロ接合による光吸収層の第一原理計算による検討

• 研究課題/領域番号: 14F04792
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 外国
• 研究分野: 金属物性・材料
• 研究機関: 東京工業大学 (2015-2016); 京都大学 (2014)
• 研究代表者: 大場 史康 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (90378795)
• 研究分担者: BURTON LEE 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 外国人特別研究員 ; BURTON Lee 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 2016年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2015年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2014年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
• キーワード: 第一原理計算 / 半導体 / 太陽電池

研究実績の概要

第一原理計算により2次元層状物質等の新しい光吸収層代替材料を効率的に設計・探索することを目指して、3つのサブテーマに関して研究を行った。
サブテーマ1「2次元材料の電子・光学特性の理論予測」に関する主要な成果として、2次元構造を有するSnカルコゲナイドの電子・光学物性、相安定性並びに点欠陥形成挙動とキャリア生成機構の解明が挙げられる。(Chemistry of Materials 2016, Physical Review Letters 2016, Physical Review Applied 2017他)
サブテーマ2「進化的アルゴリズムによる新物質の結晶構造探索」の成果として、11種類の新規3元系亜鉛窒化物半導体の予測が挙げられる。そのうち、直接遷移型のバンド構造、小さい電子・ホール有効質量等、半導体として有望な特性を有することが理論予測され、かつ構成元素に希少元素を含まないCaZn2N2について、予測された赤色発光等の電子・光学特性を実験を担当した共同研究者が実証することに成功している。(Nature Communications 2016)
サブテーマ3「薄膜太陽電池のための積層構造の設計とヘテロ界面の特性の予測」に関する主な成果として、SnSと金属電極界面の計算から、SnSを光吸収層に用いた薄膜太陽電池の効率向上のための電極材料を提案した。(Journal of Materials Chemistry A, 印刷中)

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Liverpool/University of Bath/Imperial College London(英国)
• [国際共同研究] University of Bath(英国)
• [雑誌論文] DFT investigation into the underperformance of sulfide materials in photovoltaic applications (2017)
  • 著者名/発表者名: L. A. Burton, Y. Kumagai, A. Walsh, and F. Oba
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 印刷中 号: 19 ページ: 9132-9140
  • DOI: 10.1039/c7ta00673j
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Hinuma, T. Hatakeama, Y. Kumagai, LA. Burton, H. Sato, Y. Muraba, S. Iimura, H. HIramatsu, I. Tanaka and H. Hosono
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 号: 1 ページ: 11962-11962
  • DOI: 10.1038/ncomms11962
  • NAID: 120005770761
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structure and defect physics of tin sulfides: SnS, Sn2S3, and SnS2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kumagai, L. A. Burton, A. Walsh, and F. Oba
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.6.014009
  • NAID: 120006582529
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Band Alignments, Valence Bands and Core Levels in the Tin Sulfides SnS, SnS2 and Sn2S3: Experiment and Theory (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Whittles, L. A. Burton, J. Skelton, A. Walsh, T. Veal, and V. Dhanak
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 28 号: 11 ページ: 3718-3726
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b00397
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anharmonicity in the High-Temperature Cmcm Phase of SnSe: Soft Modes and Three-Phonon Interactions (2016)
  • 著者名/発表者名: J. M. Skelton, L. A. Burton, S. C. Parker, A. Walsh, C. E. Kim, A. Soon, J. Buckeridge, A. A. Sokol, C. R. A. Catlow, A. Togo, and I. Tanaka
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 号: 7
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.075502
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic and optical properties of single crystal SnS2: an earth-abundant disulfide photocatalyst (2016)
  • 著者名/発表者名: Lee A. Burton, Thomas J. Whittles, David Hesp, Wojciech M. Linhart, Jonathan M. Skelton, Bo Hou, Richard F. Webster, Graeme O'Dowd, Christian Reece, David Cherns, David J. Fermin, Tim D. Veal, Vin R. Dhanak, and Aron Walsh
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 4 号: 4 ページ: 1312-1318
  • DOI: 10.1039/c5ta08214e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Computational analysis of the effect of layered materials in photovoltaic devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Lee A Burton and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: FMS2015
  • 発表場所: Tokyo
  • 年月日: 2015-11-19
  • 国際学会
• [学会発表] Computational analysis of the effect of layered materials in photovoltaic devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Lee A Burton and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: STAC-9
  • 発表場所: Tsukuba
  • 年月日: 2015-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Computational analysis of layered materials in electronic devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Lee A Burton and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: Psi-k 2015 Conference
  • 発表場所: San Sebastian
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] Computational analysis of layered materials in electronic devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Lee A Burton and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: 12th International Conference on Materials Chemistry
  • 発表場所: York
  • 年月日: 2015-07-20
  • 国際学会
• [学会発表] Computational Prediction and Analysis of Layered Materials for 2D devices (2015)
  • 著者名/発表者名: L. A. Burton and F. Oba
  • 学会等名: Towards Reality in Nanoscale Materials VIII
  • 発表場所: Levi, Finland
  • 年月日: 2015-02-09 – 2015-02-11