光-スピン流-電流変換物質の第一原理計算

• 研究課題/領域番号: 20K15115
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分28020:ナノ構造物理関連
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 山口 直也 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 特任助教 (70868116)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: スピン分裂 / スピン分解バンドアンフォールディング / バンド分散可視化 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 太陽電池 / 電場 / ベリー位相 / 磁気熱電性 / スピンテクスチャ / 有効電荷 / 永久スピンらせん / 異常ホール効果 / 異常ネルンスト効果 / スピン軌道相互作用 / ラシュバ効果 / 準安定構造 / 有機薄膜 / データ科学 / 表面・界面モデリング / 電界効果 / 第一原理計算 / スピン流-電流変換 / 非占有ラシュバ状態

研究開始時の研究の概要

スピン流から電流へと変換する現象であるスピン流-電流変換はスピン軌道相互作用の現象であるラシュバ効果が生じる表面・界面などにおいて高効率な変換が起きる。最近、Bi2O3/Cu(111) 界面において、光を入射することで非占有の界面ラシュバ状態を介したスピン流-電流変換が観測された。本研究では光誘起のスピン流-電流変換、いわば『光-スピン流-電流変換』が生じる物質の探索を密度汎関数理論に基づく第一原理計算によって行い、物質設計の指針を導く。また、太陽電池のように光起電力効果を有する物質にそうした変換機能を付加できれば、光から電流への変換の高効率化が見込まれるため、その電界効果を調べる。

研究実績の概要

最終年度である今年度は有限系におけるスピン軌道分裂を調べるための、スピン分解巨大分子バンドアンフォールディング法の開発を行った。これは有限系から有効的なバンド分散を抽出するバンドアンフォールディング法として、巨大分子バンドアンフォールディング法を提案した上で、スピン分解機能を付加したものである。有限系のバンド分散が可視化できるようになれば、近似結晶での記述が難しい不規則系でのバンド分散やそこで生じるスピン分裂の評価も可能になると期待される。実際に、遷移金属ダイカルコゲナイドWS2のフレークにおけるスピン-バレーロッキングにかかわるスピン分裂の可視化に成功した。
前年度に開発した磁気熱電効果である異常ネルンスト効果と異常ホール効果の物性評価計算コードによる応用計算として、チャーン絶縁体となるCrドープのBi2Se3における異常ネルンスト係数の予測の研究に携わった。また、van Hove特異点が誘起する巨大な磁気熱電効果の機構の理論的研究にも同コードが活用された。
期間全体の本研究の成果として主なものは、擬原子基底線形結合法とベリー位相法に基づく一様電場下での第一原理計算手法の開発を世界で初めて完成させたことと、太陽電池材料の設計指針の提案として、近年の有機薄膜太陽電池材料の論文から材料特性データを抽出し、データ科学的手法に基づいて高性能な材料の条件を導出したことである。
プログラム開発については、上述の最終年度に完成したスピン分解巨大分子バンドアンフォールディング計算コードに加え、電場印加下でのナノスケール材料において高効率に電子状態が予測できる計算コードを独自に開発した。それは競合コードと比較して、局在基底を用いた方法であるため、扱える原子数が世界最大級である。また、高効率に磁気熱電性を評価する局所ベリー位相法の計算コードの開発にも貢献した。一部の計算コードは既に公開済みである。

研究成果

• [雑誌論文] Solid-state 2H NMR investigation of molecular motion in proton-conducting polyacrylic acid/imidazole composites (2024)
  • 著者名/発表者名: Mizuno Motohiro、Hosoe Nanaka、Kurihara Takuya、Shigeta Yasuhiro、Amemori Shogo、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: Interactions 巻: 245 号: 1 ページ: 33-33
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01867-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First-principles study of anomalous Nernst effect in Cr-doped Bi2Se3 (2024)
  • 著者名/発表者名: R. Syariati, V. Saraswati, H. Sawahata, N. Yamaguchi, and F. Ishii
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 号: 1 ページ: 01SP26-01SP26
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acfe17
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermoelectric Effect in Kagome Lattice Enhanced at Van Hove Singularities (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, N. Yamaguchi, H. Sawahata, and F. Ishii
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 号: 12 ページ: 124704-124704
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.124704
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural and physical properties of proton-conducting polyacrylic acid/alginic acid/1,2,4- Triazole composite membranes (2023)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Ryota、Kurihara Takuya、Shigeta Yasuhiro、Amemori Shogo、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 399 ページ: 116299-116299
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2023.116299
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of wide-gap topological insulating phase in metastable BiTeI (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, N. Yamaguchi, H. Sawahata, and F. Ishii
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 5 ページ: 053002-053002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acccd3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Seebeck-induced anomalous Nernst effect in van der Waals MnBi2Te4 layers (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Morishima, N. Yamaguchi, H. Sawahata, and F. Ishii
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 4 ページ: 043003-043003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/accacc
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Persistent spin helix on a diamond surface (2023)
  • 著者名/発表者名: H.P. Kadarisman, N. Yamaguchi, and F. Ishii
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 2 ページ: 023001-023001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acb486
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First-principles study of anomalous Hall effect and anomalous Nernst effect in Fe2Si (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Tominaga N. Yamaguchi, H. Sawahata, and F. Ishii
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 号: SD ページ: SD1019-SD1019
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaca6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First-principles calculation of anomalous Hall and Nernst conductivity by local Berry phase (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Sawahata, N. Yamaguchi, S. Minami, and F. Ishii
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 2 ページ: 024404-024404
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.024404
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles LCPAO approach for insulators under finite electric fields with forces (2022)
  • 著者名/発表者名: N. Yamaguchi and F. Ishii
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 280 ページ: 108487-108487
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2022.108487
  • 査読あり
• [雑誌論文] Statistical analysis of properties of non-fullerene acceptors for organic photovoltaics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Naoya、Sano Hiroaki、Sawahata Hikaru、Nakano Masahiro、Taima Tetsuya、Ishii Fumiyuki、Karakawa Makoto
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 号: 3 ページ: 030905-030905
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac4894
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simple Model for Corrugation in Surface Alloys Based on First-Principles Calculations (2020)
  • 著者名/発表者名: Nur Monika、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: Materials 巻: 13 号: 19 ページ: 4444-4444
  • DOI: 10.3390/ma13194444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 強束縛密度行列を用いたベリー位相及び電気分極の第一原理計算 (2024)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 2次元層状物質の量子輸送計算におけるスピン軌道相互作用の影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上仁、山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] First-principles study of persistent spin helix on OH-terminated diamond, Si, and Ge surfaces (2024)
  • 著者名/発表者名: Hana Pratiwi Kadarisman, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: APS March Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] micro-focused ARPES study of electronic structure in Janus monolayer transition metal dichalcogenides (2024)
  • 著者名/発表者名: S. Akatsuka, M. Sakano, H. Nakajo, T. Kato, N. Yamaguchi, F. Ishii, T. Yamamoto, N. Mitsuishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Kitamura, K. Horiba, K. Sugawara, S. Souma, T. Sato, H. Kumigashira, Y. Seo, S. Masubuchi, T. Machida, K. Ishizaka
  • 学会等名: APS March Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study on Proton Transfer in Poly(acrylic acid)-Triazole Molecules (2024)
  • 著者名/発表者名: Khusnul Yakin, Naoya Yamaguchi, Motohiro Mizuno, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Conference on Solid State Ionics (ACSSI-2024)
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of the van der Waals ZnO layers (2024)
  • 著者名/発表者名: Nadia Maharani Chadiza, Hana Pratiwi Kadarisman, Naoya Yamaguchi, and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: JAIST International Symposium on Nano-Materials for Novel Devices
  • 国際学会
• [学会発表] A first-principles study of hydrogen and oxygen adsorption in mercury iodide HgI2 monolayer (2024)
  • 著者名/発表者名: Sulthan W. A. Wisesa, Rifky Syariati, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: JAIST International Symposium on Nano-Materials for Novel Devices
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study on bulk photovoltaic effect in topological insulator phase of halide perovskites (2024)
  • 著者名/発表者名: Yedija Yusua Sibuea Teweng, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: JAIST International Symposium on Nano-Materials for Novel Devices
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study of Spin-Splitting and Electric Dipole Moment in Two-Dimensional Janus WSSe and Related Materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Salsabila Amanda Putri, Naoya Yamaguchi, M. Adhib Ulil Absor, Rifky Syariati, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • 国際学会
• [学会発表] ペロブスカイトCsPbX3(X=Cl, Br, I)表面の第一原理計算 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三浦昌平, 山口直也, 石井史之
  • 学会等名: 第37回分子シミュレーション討論会
• [学会発表] First-principles study of surface anomalous Hall effect in van der Waals antiferromagnets (2023)
  • 著者名/発表者名: Yume Morishima, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles calculation of bulk photovoltaic effect in ferroelectric topological insulator phase of halide perovskite (2023)
  • 著者名/発表者名: Yedija Yusua Sibuea Teweng, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: 2023年第84回秋季学術講演会
• [学会発表] First-principles study of anomalous valley Hall effect in WTe2/CrI3 van der Waals heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Syifa FauziaHariyanti Putri, Naoya Yamuguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: 2023年第84回秋季学術講演会
• [学会発表] FIRST-PRINCIPLES STUDY ON MECHANISM OF PROTON TRANSFER AT POLY(ACRYLIC-ACID)-TRIAZOLE (2023)
  • 著者名/発表者名: Khusnul Yakin, Naoya Yamaguchi, Motohiro Mizuno, and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 26th IUPAC International Conference of Chemical Thermodynamics (ICCT-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Study of Electronic Structure of Incommensurate Twisted Graphene Flakes using Band Unfolding Method (2023)
  • 著者名/発表者名: Wardah Amalia, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: Materials Today Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Emergence of the persistent spin helix on diamond (111) surface with OH termination (2023)
  • 著者名/発表者名: Hana Pratiwi Kadarisman, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: Materials Today Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of the energy band alignment at the diamond/Al2O3 interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Yaotang Zhang, Naoya Yamaguchi, Xufang Zhang, Norio Tokuda, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2023)
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles calculation of strain effect induced topological phase transition in halide perovskite CsPbI3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yedija Yusua Sibuea Teweng, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2023)
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of spin-valley splitting in WTe2/CrI3 2D van der Waals heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Syifa Fauzia Hariyanti Putri, Rifky Syariati, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2023)
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of anomalous Nernst effect in Cr-doped Bi2Se3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Vierta Saraswati, Rifky Syariati, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2023)
  • 国際学会
• [学会発表] LCPAO法における一様電場下第一原理計算手法の開発とスピンテクスチャへの応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算の時代における物性科学」
• [学会発表] 磁性半導体MnBi2Te4超薄膜における横型熱電効果の第一原理計算 (2023)
  • 著者名/発表者名: 盛島夢、山口直也、澤端日華瑠、石井史之
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] First-principles calculation of the persistent spin helix on an OH-terminated diamond surface (2023)
  • 著者名/発表者名: Hana Pratiwi Kadarisman, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ファンデルワールス磁性体MnBi2Te4薄膜における横型熱電効果の第一原理計算 (2023)
  • 著者名/発表者名: 盛島夢、山口直也、澤端日華瑠、石井史之
  • 学会等名: 学術変革領域研究（A）「２.５次元物質科学：社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト」第４回領域会議
• [学会発表] 擬原子基底線形結合法とベリー位相法に基づく一様電場下での第一原理計算手法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 第36回分子シミュレーション討論会
• [学会発表] Ab-initio study of defects states in diamond/Al2O3 interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Yaotang Zhang, Naoya Yamaguchi, Xunfang Zhang, Norio Tokuda, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] First-Principles Study of Spin-Splitting in PbS/Ag(111) (2022)
  • 著者名/発表者名: Juhri Hendrawan, Rifky Syariati, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] バンドアンフォールディング法によるグラフェンナノフレークの電子状態の第一原理解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、Sefty Yunitasari、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] First-principles study of topological phase transition in strained CsPbI3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yedija Yusua Sibuea Teweng、山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] (MnBi2Te4)m(Bi2Te3)n系における熱電効果およびアクシオン項の第一原理計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田海輝、盛島夢、澤端日華瑠、山口直也、石渡弘治、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 3層MnBi2Te4における異常ネルンスト効果の第一原理的研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 盛島夢、山口直也、柴田海輝、澤端日華瑠、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] First-principles study of topological phase transition on the strained inorganic halide perovskite (2022)
  • 著者名/発表者名: Yedija Yusua Sibuea Teweng, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 5th International Union of Materials Research Societies International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] First Principles Study of Monolayer PbS on Au (111) (2022)
  • 著者名/発表者名: Juhri Hendrawan, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 5th International Union of Materials Research Societies International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Calculation of Thermoelectric Property for Iron Silicides (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Tominaga, Naoya Yamaguchi, Hikaru Sawahata, Susumu Minami, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 6th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides Science and Technology Towards Sustainable Optoelectronics (APAC-Silicide 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] The Study of Electronic Properties of Nitrogen-vacancy Center in Diamond Using Band-unfolding Method (2022)
  • 著者名/発表者名: Hana Pratiwi Kadarisman, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: APS March Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Al2O3/ダイヤモンド界面の第一原理計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 張耀棠、山口直也、張旭芳、徳田規夫、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] 磁性絶縁体におけるアクシオンパラメータの第一原理計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田海輝、山口直也、盛島夢、石渡弘治、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] First-principles study of anomalous Nernst Effect in Cr-doped Bi2Se3 (2021)
  • 著者名/発表者名: V. Saraswati, R. Syariati, H. Sawahata, N. Yamaguchi and F. Ishii
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS9)
  • 国際学会
• [学会発表] 鉄シリサイドの結晶構造予測と熱電性の第一原理計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 冨永崇央、山口直也、澤端日華瑠、見波将、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 一様電場下の磁性絶縁体におけるジャロシンスキー・守谷相互作用の第一原理計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] BiTeIの結晶構造予測とスピン分裂の第一原理計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 張耀棠、山口直也、澤端日華瑠、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] カゴメ格子・パイロクロア格子における異常ネルンスト効果の第一原理計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田海輝、澤端日華瑠、山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] The study of Dirac cones in graphene flakes using band-unfolding method (2021)
  • 著者名/発表者名: Sefty Yunitasari, Fumiyuki Ishii, Naoya Yamaguchi
  • 学会等名: 20th International Workshop on Computational Physics and Materials Science: Total Energy and Force Methods
  • 国際学会