第一原理に基づく革新的半導体材料の予測手法の開発

• 研究課題/領域番号: 15H05541
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 金属物性・材料
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 熊谷 悠 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 特任准教授 (00722464)
• 研究協力者: 大場 史康 ; 角田 直樹
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2017年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2016年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2015年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
• キーワード: 半導体 / 第一原理計算 / 点欠陥 / 半導体材料 / 計算材料学 / 格子欠陥

研究成果の概要

近年の計算機性能の向上と計算手法の改善により、第一原理計算を用いて新材料を探索することが可能になってきている。そのような背景のもと、近年、世界各国で計算材料データベースの構築がなされている。このデータベースは材料探索に極めて有用である。しかし半導体材料に関しては、重要な物性が多岐に亘っており、またそのいくつかに関しては、第一原理により算出する手法が未成熟・未確立であったため、その探索は困難であった。そこで本研究では、第一原理計算主導での半導体材料探索を可能とするための、計算理論の構築と材料探索に必要な計算プログラムの開発を行った。

研究成果

• [国際共同研究] Imperial College London/Harwell Oxford(英国)
• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences(中国)
• [国際共同研究] University of Bath/Imperial College London(英国)
• [国際共同研究] University of Bath(英国)
• [雑誌論文] Point Defects and p-Type Doping in ScN from First Principles (2018)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Yu、Tsunoda Naoki、Oba Fumiyasu
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 9 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.9.034019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Carrier-Induced Band-Gap Variation and Point Defects in Zn3N2 from First Principles (2017)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Yu、Harada Kou、Akamatsu Hirofumi、Matsuzaki Kosuke、Oba Fumiyasu
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.8.014015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Unusual magnetic structure of the high-pressure synthesized perovskites ACrO3 (A=Sc , In, Tl) (2017)
  • 著者名/発表者名: Lei Ding, Pascal Manuel, Dmitry D Khalyavin, Fabio Orlandi, Yu Kumagai, Fumiyasu Oba, Wei Yi, Alexei A Belik
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.054432
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Band alignment of semiconductors and insulators using dielectric-dependent hybrid functionals: Toward high-throughput evaluation (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Hinuma, Y. Kumagai, I. Tanaka, and F. Oba
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 7 ページ: 075302-075302
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.075302
  • NAID: 120006582584
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Band structure diagram paths based on crystallography (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Hinuma, G. Pizzi, Y. Kumagai, F. Oba, and I. Tanaka
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 128 ページ: 140-184
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.10.015
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Theory of ionization potentials of nonmetallic solids (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kumagai, K. T. Butler, A. Walsh, and F. Oba
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.125309
  • NAID: 120006582589
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Functional electronic inversion layers at ferroelectric domain walls (2017)
  • 著者名/発表者名: J. A. Mundy, J. Schaab, Y. Kumagai, A. Cano, M. Stengel, I. P. Krug, D. M. Gottlob,H. Doganay, M. E. Holtz, R. Held, Z. Yan, E. Bourret, C. M. Schneider, D. G. Schlom, D. A. Muller, R. Ramesh, N. A. Spaldin, D. Meier
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: ADVANCE ONLINE PUBLICATION 号: 6 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/nmat4878
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic Structure and Defect Chemistry of Tin(II) Complex Oxide SnNb2O6 (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Katayama, H. Hayashi, Y. Kumagai, F. Oba and I. Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 120-18 号: 18 ページ: 9604-9611
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b01696
  • 査読あり / 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] Ligancy-Driven Controlling of Covalency and Metallicity in a Ruthenium Two-Dimensional System (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Toyoda, Katsutoshi Fukuda, Koji Horiba, Masaharu Oshima, Kazuhiro Kumagai, Yu Kumagai, Fumiyasu Oba, Yoshiharu Uchimoto, Eiichiro Matsubara
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 28 号: 16 ページ: 5784-5790
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b02019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Categorization of surface polarity from a crystallographic approach (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoyo Hinuma, Yu Kumagai, Fumiyasu Oba, and Isao Tanaka
  • 雑誌名: Comput. Mater. Sci. 巻: 113 ページ: 221-230
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.11.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] LiNbO3-Type Oxide (Tl1-xScx)ScO3: High-Pressure Synthesis, Crystal Structure, and Electronic Properties (2016)
  • 著者名/発表者名: Alexei A Belik, Wei Yi, Yu Kumagai, Yoshio Katsuya, Masahiko Tanaka, Fumiyasu Oba
  • 雑誌名: Inorganic chemistry 巻: 55 号: 4 ページ: 1940-1945
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b02915
  • 査読あり
• [雑誌論文] Screening procedure for structurally and electronically matched contact layers for high-performance solar cells: hybrid perovskites (2016)
  • 著者名/発表者名: Keith T. Butler, Yu Kumagai, Fumiyasu Oba, and Aron Walsh
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. C 巻: 4 号: 6 ページ: 1149-1158
  • DOI: 10.1039/c5tc04091d
  • 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] 半導体材料開発のための計算材料データベース (2018)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 悠
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Computational materials database toward discovering novel semiconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai
  • 学会等名: 第32回コンピュテーショナル・マテリアルズ・デザインワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 半導体材料開発のための第一原理計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 悠
  • 学会等名: ポスト新機能物質開発のための戦略会議
  • 招待講演
• [学会発表] First-principles calculations on point defects in semiconductors and insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai
  • 学会等名: The 20th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 半導体材料探索に向けた計算データベースの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 悠
  • 学会等名: 新機能デバイス・高性能材料のための産官学連携フォーラム 第３回会合
  • 招待講演
• [学会発表] First-principles calculations on point defects in semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai
  • 学会等名: Frontiers in Materials Science 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computational materials database toward discovering novel semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai
  • 学会等名: Interdisciplinary symposium on modern density functional theory -- iDFT
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First-principles investigation of point defects in non-metallic materials (2016)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 悠
  • 学会等名: 第26回日本MRS年次大会
  • 発表場所: 神奈川県
  • 年月日: 2016-12-19
  • 招待講演
• [学会発表] 硫化スズ中の点欠陥に関する 第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 悠，Lee Burton，Aron Walsh，大場 史康
  • 学会等名: 日本金属学会 2016年秋期講演大会
  • 発表場所: 大阪府
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] Ab Initio Study of Point Defects in Tin Sulfides (2016)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai, Lee A. Burton, Aron Walsh and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: AMTC5
  • 発表場所: 愛知県
  • 年月日: 2016-05-11
  • 国際学会
• [学会発表] Accurate Predictions of Point Defect Energetics in Semiconductors from First Principles (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: 第２５回 日本MRS年次大会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2015-12-08
• [学会発表] Theory of ionization potentials of solids (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai, Keith T. Butler, Aron Walsh and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Theory of ionization potentials of solids (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai, Keith T. Butler, Aron Walsh and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: STAC-9 & TOEO-9
  • 発表場所: 茨城
  • 年月日: 2015-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] 第一原理に基づく点欠陥計算の高精度化とその応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 熊谷悠
  • 学会等名: 日本金属学会 2015年秋期(第157回)講演大会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス (福岡市)
  • 年月日: 2015-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] Predictions of point defect properties in semiconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai
  • 学会等名: 11th International Conference of Pacific Rim Ceramic Societies(PacRim-11)
  • 発表場所: 韓国 チェジュ島
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electrostatics-based finite-size corrections for point defects in semiconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: スペイン国 サンセバスチャン
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] Electrostatics-based finite-size corrections for point defects in semiconductors and insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Kumagai and Fumiyasu Oba
  • 学会等名: Nothing is Perfect: The Quantum Mechanics of Defects
  • 発表場所: スイス国 Ascona
  • 年月日: 2015-04-26
  • 国際学会