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大規模第一原理バンド計算による長周期整合グラフェンの電子・陽電子状態解析

研究課題

研究課題/領域番号 20K05454
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分32020:機能物性化学関連
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

宮下 敦巳  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線高度利用施設部, 主幹研究員 (00354944)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワード陽電子 / グラフェン / 計算科学 / 表面 / ポジトロニウム分光
研究開始時の研究の概要

従来、スピン偏極特性はグラフェンと格子整合が良い強磁性体の組み合わせを中心に調べられてきた。しかし、格子整合が良い場合、高品質のグラフェンが得られる反面、強い混成によりグラフェン本来の電子状態が消失することが判明した。
そこで本研究では、短距離格子整合では必ずしも良くないものの、長距離では整合するグラフェンと基板物質の組み合わせに着目し、グラフェンにどのようなスピン偏極電子状態が誘起されるかを大規模バンド計算によって解明する。また、これらの系における陽電子波動関数とポジトロニウム生成挙動を調べることで、それらの分光手法を用いた実験結果の詳細な解釈を可能とする。

研究成果の概要

Co2FeGa0.5Ge0.5(CFGG)結晶において、CFGGの水平方向2単位繰り返しの(3×1)構造の表面に、(8×2)構造のグラフェンを整合させ、表面に20Åの真空層を設けた148原子スラブモデルを用いて第一原理バンド解析を行った。モデルの構造最適化を行った所、CFGG表面とグラフェン層の間隔は2.9Åとなりファンデルワールス力結合距離となった。グラフェン層のみの電子状態密度を求めた所、スピントロニクス材料としての性質が失われていない事が示唆された。ポジトロニウムの生成確率を推定するため、電子・陽電子密度積を求めた所、スピン偏極率は2%程度であり、スピン注入効率が低い事が予想された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、基板物質であるCFGGと長周期で整合するグラフェンのスピン・電子状態を大規模結晶構造に基づく電子・陽電子バンド計算により得ると共に、グラフェンの電子状態解析に極めて有用なポジトロニウム分光のスペクトルを計算し、スピン偏極ポジトロニウム分光実験の詳細な解釈を行っており、実デバイスに利用可能なスピントロニクス材料の評価方法として、大規模結晶構造に基づく電子・陽電子バンド計算が非常に有用な事を示した。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Spin-Polarized Positronium Time-of-Flight Spectroscopy for Probing Spin-Polarized Surface Electronic States2021

    • 著者名/発表者名
      Maekawa M., Miyashita A., Sakai S., Li S., Entani S., Kawasuso A., Sakuraba Y.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 126 号: 18 ページ: 186401-186401

    • DOI

      10.1103/physrevlett.126.186401

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Positronium emission from GaN(0001) and AlN(0001) surfaces2021

    • 著者名/発表者名
      Kawasuso A、Maekawa M、Miyashita A、Wada K、Nagashima Y、Ishida A
    • 雑誌名

      Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics

      巻: 54 号: 20 ページ: 205202-205202

    • DOI

      10.1088/1361-6455/ac32a0

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of disorder and vacancy defects on electrical transport properties of Co2MnGa thin films grown by magnetron sputtering2021

    • 著者名/発表者名
      A. Miyashita, M. Maekawa, C. Suzuki, S. Yamamoto, A. Kawasuso, J. Wang, T. Seki, R. Y. Umetsu, K. Takanashi
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 130 号: 22 ページ: 225301-225301

    • DOI

      10.1063/5.0071807

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-density magnetic-vacancy inclusion in Co<sub>2</sub>MnGa single crystal probed by spin-polarized positron annihilation spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Miyashita A、Maekawa M、Shimoyama Y、Seko N、Kawasuso A、Umetsu R Y
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 34 号: 4 ページ: 045701-045701

    • DOI

      10.1088/1361-648x/ac3304

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Construction of a Spin-Polarized Positronium Time-of-Flight Measurement Apparatus2020

    • 著者名/発表者名
      Maekawa M.、Wada K.、Miyashita A.、Kawasuso A.
    • 雑誌名

      Acta Physica Polonica A

      巻: 137 号: 2 ページ: 105-108

    • DOI

      10.12693/aphyspola.137.105

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spin polarization of graphene on Co2FeGe0.5Ga0.5(001) observed by spin-polarized surface positronium spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Miyashita A.、Li S.、Sakai S.、Maekawa M.、Kawasuso A.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 号: 4 ページ: 045425-045425

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.045425

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Gadolinium-implanted GaN studied by spin-polarized positron annihilation spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Maekawa M.、Miyashita A.、Sakai S.、Kawasuso A.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 号: 5 ページ: 054427-054427

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.054427

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Positronium formation at 4H SiC(0001) surfaces2020

    • 著者名/発表者名
      Kawasuso A、Wada K、Miyashita A、Maekawa M、Iwamori H、Iida S、Nagashima Y
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 33 号: 3 ページ: 035006-035006

    • DOI

      10.1088/1361-648x/abbe7a

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] TaAsにおける不規則性と磁気輸送特性2023

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男, 須田理行, 村川寛, 満汐孝治, 鈴木智広, 天田春代, 宮下敦巳, 前川雅樹, 山本春也, 瀬古典明, 花咲徳亮, 関修平, 大島永康
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] FeSi中での陽電子の第一原理バンド計算による解析2022

    • 著者名/発表者名
      宮下敦巳, 前川雅樹, 河裾厚男, 金澤直也
    • 学会等名
      第59回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] B20型FeSiにおける熱平衡原子空孔生成2022

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男, 宮下敦巳, 前川雅樹, 金澤直也
    • 学会等名
      第59回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] プロトンビーム核反応法を用いた陽電子線源開発2022

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹, 宮下敦巳, 河裾厚男
    • 学会等名
      第59回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Development of spin-polarized positronium time-of-flight method2022

    • 著者名/発表者名
      Maekawa Masaki, Miyashita Atsumi, Kawasuso Atsuo
    • 学会等名
      19th International Conference on Positron Annihilation
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal vacancy formation and induced magnetism in B20 FeSi studied by spin-polarized positron annihilation spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Kawasuso Atsuo, Miyashita Atsumi, Maekawa Masaki, Suzuki Chihiro, Yamamoto Shunya, Hori Tomohiro, Kanazawa Naoya
    • 学会等名
      19th International Conference on Positron Annihilation
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] NbAs・TaAs単結晶中の点欠陥と電気伝導特性2022

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男, 鈴木智広, 山本春也, 宮下敦巳, 前川雅樹, 村川寛, 満汐孝治, 大島永康, 関修平, 崔旭鎮
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高効率ポジトロニウム飛行時間測定装置の開発2022

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹, 宮下敦巳, 河裾厚男
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スピン偏極ポジトロニウム放出エネルギー分光測定による磁性体最表面スピン評価2021

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹、宮下敦巳、河裾厚男
    • 学会等名
      第58回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] GaN(0001)表面における ポジトロニウム生成2021

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男、前川雅樹、宮下敦巳、和田健、長嶋泰之、石田明
    • 学会等名
      第58回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 第一原理バンド計算によるポジトロニウム分光スペクトルの解析 ―放出角制限におけるk空間選択-2021

    • 著者名/発表者名
      宮下敦巳、前川雅樹、河裾厚男
    • 学会等名
      第58回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Positronium emission from semiconductors2021

    • 著者名/発表者名
      A. Kawasuso, A. Miyashita, M. Maekawa, K. Wada, S. Iida, Y. Nagashima
    • 学会等名
      12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] スピン偏極ポジトロニウム分光による物質最表面電子状態評価2021

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹、宮下敦巳、河裾厚男
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] ワイル半金属候補物質Co2MnGaが内包する多量の磁性空孔 -スピン偏極陽電子による観測-2021

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男、宮下敦巳、前川雅樹、瀬古典明、下山陽子、梅津理恵
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] スピン偏極ポジトロニウム分光法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹、宮下敦巳、河裾厚男
    • 学会等名
      令和3年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] ワイル半金属候補物質Co2MnGaの多量原子空孔内包 ―原子空孔の規則化における役割-2021

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男、宮下敦巳、前川雅樹、梅津理恵
    • 学会等名
      令和3年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] ワイル半金属候補物質Co2MnGaの多量原子空孔内包 ―原子空孔に付随する電子状態-2021

    • 著者名/発表者名
      宮下敦巳、前川雅樹、河裾厚男、梅津理恵
    • 学会等名
      令和3年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] スピン偏極ポジトロニウム放出エネルギー測定による表面電子スピンのエネルギー分解2020

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹、宮下敦巳、河裾厚男
    • 学会等名
      日本物理学会2020秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 半導体表面におけるポジトロニウム生成2020

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男、宮下敦巳、前川雅樹、和田健、長嶋泰之、飯田進平、岩森大
    • 学会等名
      令和2年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] スピン偏極ポジトロニウム飛行時間測定装置の開発2020

    • 著者名/発表者名
      前川雅樹、和田健、宮下敦巳、河裾厚男
    • 学会等名
      令和2年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 第一原理バンド計算による表面ポジトロニウム分光解析2020

    • 著者名/発表者名
      宮下敦巳、前川雅樹、河裾厚男
    • 学会等名
      令和2年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用」
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-01-30  

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