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計算科学による原子層物質の新物性デザインとデバイス設計指針の提示

公募研究

研究領域原子層科学
研究課題/領域番号 16H00898
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関筑波大学

研究代表者

岡田 晋  筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
2017年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2016年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
キーワード原子層物質 / グラフェン / 六方晶窒化硼素 / 電子状態 / エネルギー論 / 電界効果 / ナノ物質 / ナノ複合構造 / 電気分極 / ナノ材料 / ナノチューブ・フラーレン / 表面・界面物性
研究実績の概要

本研究では、量子論に立脚した計算物質科学の手法を用いて、各種原子層物質ならびに原子層物質と異種物質とからなる複合系の基礎 物性の解明を行い、そこで得られた知見を基盤として、各種産業応用に資する原子層物質とデバイス構造の探索をおこなった。まず、構造的な不完全性を有するグラフェンや異種物質との複合構造を形成したグラフェンFETの電界蓄積現象の解明を行った。その結果、欠陥や異種物質の種類や電極に対する配置が電界によるグラフェンへの電界蓄積に強く影響を及ぼすことを示し、グラフェンFETのデバイス構造の提示を行った。h-BNリボン端に生じる極性が、リボンに沿った一軸性の伸縮歪みに依存し変調し、最大で極性の反転が起こることを明らかにした。同時に、端の水素原子の脱着によっても同様のリボン端における極性反転現象が発現することを明らかにした。この結果は、h-BNからなるナノ構造体が、歪みや原子吸着によりその電気的特性を変化させ、各種ナノデバイスの電界効果現象制御を促す材料となることを示したものである。グラフェンの端についても、強電界印加下における電界誘起電子放出現象の基礎的知見を得た。すなわち、グラフェン端からの電界電子放出は、端の形状や終端官能基種に強く依存することを示し、グラフェンを用いた高効率電界電子放出源の端構造の提示を行った。層間方向のファンデルワールスヘテロ構造として、グラフェンとC60分子膜からなるヘテロ系の構造と電子物性の解明を行った。その結果、C60とグラフェンの相互作用と再安定距離が歪みに強く依存すること、5%の伸縮歪み下において、グラフェンからC60への電荷移動が生じることを明らかにした。新しい2次元物質系として、立体構造を有する炭化水素原子と平面炭化水素分子を組み合わせた2次元共有結合ネットワークの理論設計を行い、特異な電子物性の発現が期待できることを示した。

現在までの達成度 (段落)

29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

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (41件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (37件) (うち査読あり 37件、 謝辞記載あり 20件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] `Fermi level pinning for the carrier accumulation in bilayer graphene with atomic defects by an external electric field2017

    • 著者名/発表者名
      Ken Kishimoto and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 110 号: 1 ページ: 011601-011601

    • DOI

      10.1063/1.4973426

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書 2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effect of a charged impurity on carrier accumulation into graphene by an external electric field2017

    • 著者名/発表者名
      Manaho Matsubara, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physic Express

      巻: 10 号: 2 ページ: 025101-025101

    • DOI

      10.7567/apex.10.025101

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Suppression of conductivity deterioration of copper thin films by coating with atomic-layer materials2017

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Thanh Cuong, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 110 号: 13 ページ: 131601-131601

    • DOI

      10.1063/1.4979038

    • NAID

      120007129208

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Polarity control of h-BN nanoribbon edges by strain and edge termination2017

    • 著者名/発表者名
      A. Yamanaka and S. Okada
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 19 号: 13 ページ: 9113-9117

    • DOI

      10.1039/c6cp08818j

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electronic properties of electron-doped [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester and silylmethylfullerene2017

    • 著者名/発表者名
      Sho Furutani, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 678 ページ: 5-8

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2017.04.032

    • NAID

      120007133748

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrostatic potential barrier for electron emission at graphene edges induced by the nearly free electron states2017

    • 著者名/発表者名
      Yanlin Gao, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 10 号: 5 ページ: 055104-055104

    • DOI

      10.7567/apex.10.055104

    • NAID

      210000135850

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energetics and electronic structures of thin films and heterostructures of a hexagonal GaN sheet2017

    • 著者名/発表者名
      Yanlin Gao, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 6 ページ: 065201-065201

    • DOI

      10.7567/jjap.56.065201

    • NAID

      210000147837

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure of bilayer graphene with defects under an external electric field2017

    • 著者名/発表者名
      Ken Kishimoto, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 6S1 ページ: 06GE01-06GE01

    • DOI

      10.7567/jjap.56.06ge01

    • NAID

      210000147864

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Porous hydrocarbon networks of pyramidal molecules2017

    • 著者名/発表者名
      Jun-ya Sorimachi, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 6S1 ページ: 06GE03-06GE03

    • DOI

      10.7567/jjap.56.06ge03

    • NAID

      210000147866

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic Structure of CNT Thin Films with Nanoscale Interfaces under an Electric Field2017

    • 著者名/発表者名
      Taketo Kochi, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 6S1 ページ: 06GE02-06GE02

    • DOI

      10.7567/jjap.56.06ge02

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Asymmetric carrier accumulation in double-walled carbon nanotube by an external electric field2017

    • 著者名/発表者名
      Taketo Kochi, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 10 号: 7 ページ: 075101-075101

    • DOI

      10.7567/apex.10.075101

    • NAID

      210000135919

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Carrier injection in nonbonding states of N-doped graphene by an external electric field2017

    • 著者名/発表者名
      Manaho Matsubara, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 7 ページ: 075101-075101

    • DOI

      10.7567/jjap.56.075101

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure and polarity of edge functionalized graphene nanoribbons2017

    • 著者名/発表者名
      Remi Taira, Ayaka Yamanaka, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 8 ページ: 085103-085103

    • DOI

      10.7567/jjap.56.085103

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electron filling control of Kagome flat band in 2D hydrocarbon networks of sp2 and sp3 C atoms2017

    • 著者名/発表者名
      Jun-ya Sorimachi, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 96 号: 2 ページ: 024103-024103

    • DOI

      10.1103/physrevb.96.024103

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Strain-induced charge transfer and polarity control of a van der Waals heterosheet comprising C60 and graphene2017

    • 著者名/発表者名
      Yamato A. Saucier, Susumu Okada, Mina Maruyama
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 10 号: 9 ページ: 095101-095101

    • DOI

      10.7567/apex.10.095101

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanical properties of nano-rotors: Energetics of triptycene derivatives2017

    • 著者名/発表者名
      Miki Akiba, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 10 ページ: 105201-105201

    • DOI

      10.7567/jjap.56.105201

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energetics and electronic structures of inclusion compounds of large fullerenes and cycloparaphenylenes2017

    • 著者名/発表者名
      Yuya Nagasawa, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 86 号: 10 ページ: 104702-104702

    • DOI

      10.7566/jpsj.86.104702

    • NAID

      120007128627

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interplay between Kagome Flat band and Dirac cone in porous graphitic networks2017

    • 著者名/発表者名
      Mina Maruyama, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 125 ページ: 530-535

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2017.08.040

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Geometric structures of Al nanoparticle adsorbed on graphene under the external electric field2017

    • 著者名/発表者名
      Manaho Matsubara, Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 号: 12 ページ: 125101-125101

    • DOI

      10.7567/jjap.56.125101

    • NAID

      120007128761

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of the Defects on the Electronic Structures of Bilayer Graphene2016

    • 著者名/発表者名
      Ken Kishimoto and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Surface Science

      巻: 644 ページ: 18-23

    • DOI

      10.1016/j.susc.2015.08.036

    • NAID

      120007129844

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] `Energetics and electronic structures of graphene nanoribbons under a lateral electric field2016

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 96 ページ: 351-361

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2015.09.054

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetic Properties of Graphene Quantum Dots Embedded in h-BN Sheet2016

    • 著者名/発表者名
      Mina Maruyama and Susumu Okada
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 120 号: 2 ページ: 1293-1302

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b09882

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Influence of electric field on electronic states of graphene nanoribbons under a FET structure2016

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 号: 3 ページ: 035101-035101

    • DOI

      10.7567/jjap.55.035101

    • NAID

      120007129636

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Influence of fullerene cages on energetics of dipole moment of encapsulated water molecule2016

    • 著者名/発表者名
      Jun-ya Sorimachi and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 号: 4S ページ: 04EP02-04EP02

    • DOI

      10.7567/jjap.55.04ep02

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Anomalous electrostatic potential properties in CNT thin films under a weak external electric field2016

    • 著者名/発表者名
      U Ishiyama, Nguyen Thanh Cuong, and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 9 号: 4 ページ: 045101-045101

    • DOI

      10.7567/apex.9.045101

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Geometric and electronic structures of corannulene polymers: Ultra narrow graphene ribbons with corrugation and topological defects2016

    • 著者名/発表者名
      Kohei Narita and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 650 ページ: 76-81

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2016.02.075

    • NAID

      120007135460

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effect of structural deformation on carrier accumulation in semiconducting carbon nanotubes under an external electric field2016

    • 著者名/発表者名
      Akiko Hasegawa and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 号: 4 ページ: 045101-045101

    • DOI

      10.7567/jjap.55.045101

    • NAID

      120007135559

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] `Energetics and electronic structure of tubular Si nanoscale vacancies filled by carbon nanotubes2016

    • 著者名/発表者名
      Taketo Kochi and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 号: 5 ページ: 055101-055101

    • DOI

      10.7567/jjap.55.055101

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Geometric and electronic structures of one-dimenisonally polymerized coronene molecules2016

    • 著者名/発表者名
      Kohei Narita and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 号: 6S1 ページ: 06GF02-06GF02

    • DOI

      10.7567/jjap.55.06gf02

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electron-state tuning of bilayer graphene by defects2016

    • 著者名/発表者名
      Ken Kishimoto and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 号: 6S1 ページ: 06GF06-06GF06

    • DOI

      10.7567/jjap.55.06gf06

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electrostatic properties of fullerenes under an external electric field: First-principles calculations of energetics for all IPR isomers from C60 to C782016

    • 著者名/発表者名
      Jun-ya Sorimachi and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 659 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2016.06.022

    • NAID

      120007135501

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effect of an intersection of carbon nanotubes on the carrier accumulation under an external electric field2016

    • 著者名/発表者名
      Taketo Kochi and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 9 号: 8 ページ: 085103-085103

    • DOI

      10.7567/apex.9.085103

    • NAID

      120007129368

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Energetics and electronic structure of h-BN nanoribbons2016

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 号: 1 ページ: 30653-30653

    • DOI

      10.1038/srep30653

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Polar properties of a hexagonally bonded GaN sheet under biaxial compression2016

    • 著者名/発表者名
      Yanlin Gao, Tomoe Yayama, and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 9 号: 9 ページ: 095201-095201

    • DOI

      10.7567/apex.9.095201

    • NAID

      120007129361

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Coexsistence of Dirac cones and Kagome flat bands in two-dimensional network of hydrocarbon molecules2016

    • 著者名/発表者名
      Mina Maruyama, Nguyen Thanh Cuong, and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 109 ページ: 755-763

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2016.08.090

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electronic structure modulation of graphene edges by chemical functionalization2016

    • 著者名/発表者名
      Remi Taira, Ayaka Yamanaka, and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 9 号: 11 ページ: 115102-115102

    • DOI

      10.7567/apex.9.115102

    • NAID

      120007129279

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] `Electronic properties of pentaorgano [60]fullerenes under an external electric field2016

    • 著者名/発表者名
      Sho Furutani and Susumu Okada
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 9 号: 11 ページ: 115103-115103

    • DOI

      10.7567/apex.9.115103

    • NAID

      120007129265

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Electronic Properties of Nanoscale Materials under a Finite Electric Field2016

    • 著者名/発表者名
      Susumu Okada
    • 学会等名
      The 19th Asian workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
    • 発表場所
      National Chiao Tung University (新竹, 台湾)
    • 年月日
      2016-10-31
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coexistence of Dirac Cone and Kagome Band in Two-Dimensional Network of Hydrocarbon Molecules2016

    • 著者名/発表者名
      Mina Maruyama and Susumu Okada
    • 学会等名
      Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials - NT16
    • 発表場所
      University of Vienna (ウィーン, オーストリア)
    • 年月日
      2016-08-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Tuning of polarization of h-BN nanoribbons by the edge hydrogenation2016

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Yamanaka ans Susumu Okada
    • 学会等名
      Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials - NT16
    • 発表場所
      University of Vienna (ウィーン, オーストリア)
    • 年月日
      2016-08-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Energetics and electronic structures of GaN thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Yanlin Gao and Susumu Okada
    • 学会等名
      Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials - NT16
    • 発表場所
      University of Vienna (ウィーン, オーストリア)
    • 年月日
      2016-08-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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