ナノチューブ新物質のデザインと電子構造・物性解明

2011 年度 実績報告書

• 研究領域: カーボンナノチューブナノエレクトロニクス
• 研究課題/領域番号: 19054005
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 斎藤 晋 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (00262254)
• キーワード: ナノチューブ / グラフェン / ナノカーボン / 密度汎関数法

研究概要

並進対称性を用いて通常のブロッホ状態を求める電子構造計算プログラムに加えて、螺旋対称性を用いて固有状態と固有値を求める電子構造計算プログラムも併用して、細いチューブから実験的によく合成される直径のカーボンナノチューブまで、幾何構造・電子構造・全エネルギーの系統的かつ総合的研究を達成した。アームチェアナノチューブ、ジグザグナノチューブ、カイラルナノチューブに大別されるカーボンナノチューブ系であるが、その大多数を占めるカイラルナノチューブについては、並進対称ユニットセルが巨大となるため、これまで第一原理電子構造計算が殆ど行われておらず、世界初の成果である。その結果、これまでに光物性で知られていた、いわゆる「ファミリーパターン」と呼ばれるナノチューブのグループ化が、イオン化エネルギーを始めとする電子構造、結合長・結合角などの構造パラメータ、さらには、全エネルギーにおいても成立していることが示された。特に、カイラルナノチューブの中でも、ニア・アームチェアナノチューブと呼ばれる一群のナノチューブが、全エネルギーからみて非常に安定であることが判明した。ニア・アームチェアナノチューブは、実験で合成される試料中の存在度が高いことが知られていたが、その理由を与える結果である。本研究で得られた各ナノチューブの幾何構造、電子構造は、今後のデバイス応用研究に当たっての基礎データとなると期待される。
さらに、グラフェン系において、六方晶窒化ホウ素の単原子層と交互積層した超格子系に関して、その構造と安定性の研究を展開した。その結果、ホウ素と炭素間での層間相互作用が強く、格子整合した金属系になることが判明した。

研究成果

• [雑誌論文] Energetics and electronic properties of twisted single-walled carbon nanotubes (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kato, T. Koretsune and S. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. 巻: B 85 ページ: 115448-1-4
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.85.115448
• [雑誌論文] Geometries and Electronic Structure of Graphene and Hexagonal BN Superlattices (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakai and S. Saito
  • 雑誌名: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 巻: 1407 ページ: 1407-AA08-03-1-6
  • DOI: 10.1557/opl.2012.455
• [雑誌論文] Structure and stability of hydrogen atom adsorbed on nitrogen-doped carbon nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujimoto, and S. Saito
  • 雑誌名: J. Phys: Conf. Ser. 巻: 302 ページ: 012006-1-012006-4
  • DOI: DOI:10.1088/1742-6596/302/1/012006
• [雑誌論文] Electronic properties of graphene and boron-nitride based nanostructured materials (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Sakurai, Y. Sakai, and S. Saito
  • 雑誌名: J. Phys: Conf. Ser. 巻: 302 ページ: 012018-1-012018-6
  • DOI: DOI:10.1088/1742-6596/302/1/012018
• [雑誌論文] Impurities Effects on the Electronic Structure of Titanium Dioxide (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Aoki, and S. Saito
  • 雑誌名: J. Phys: Conf. Ser. 巻: 302 ページ: 012034-1-012034-4
  • DOI: DOI:10.1088/1742-6596/302/1/012034
• [雑誌論文] One-dimensional alkali-doped C60 chains encapsulated in BN nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Koretsune, S. Saito and M. L. Cohen
  • 雑誌名: Phys. Rev. 巻: B83 ページ: 193406-1-193406-4
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.83.193406
• [雑誌論文] Electronic structure and stability of layered superlattice composed of graphene and boron nitride monolayer (2011)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sakai, Takashi Koretsune, Susumu Saito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 ページ: 205434-1-205434-8
  • DOI: 10.1103/PhysEevB.83.205434
  • 査読あり
• [雑誌論文] Twisting Effects on Carbon Nanotubes : A First-Principles Study with Helical Symmetry Operations (2011)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Kato, Takashi Koretsune, Susumu Saito
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 302 ページ: 012007-1-012007-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/302/1/012007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation, Stabilities,. and electronic properties of nitrogen defects in graphene (2011)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Fujimoto, Susumu Saito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 ページ: 245446-1-245446-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.84.245446
  • 査読あり
• [学会発表] 二酸化チタンにおける不純物効果および相間の安定性に関する第一原理研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 青木祐太、斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-26
• [学会発表] 半導体バンドギャップにおける同位体効果の第一原理計算 (2012)
  • 著者名/発表者名: 是常隆、斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-26
• [学会発表] カーボンナノチューブにおけるキャップ構造のエネルギー論と電子状態 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤幸一郎、斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-25
• [学会発表] 不純物ドープされた単層BNシートの電子構造 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤本義隆、斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-24
• [学会発表] グラフェンアンチドッド格子の電子構造 (2012)
  • 著者名/発表者名: 櫻井誠大、斎藤晋、高田康民
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-24
• [学会発表] グラフェン/六方晶窒化ホウ素超格子における格子不整合の効果 (2012)
  • 著者名/発表者名: 酒井佑規、斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-24
• [学会発表] Growth from carbon clusters to fullerenes and nanotubes : A molecular-dynamics study (2012)
  • 著者名/発表者名: 斎藤晋
  • 学会等名: First International Workshop on Computer Simulations of Thermally Excited Molecules and Materials by First Principles
  • 発表場所: 名古屋大学(愛知県)
  • 年月日: 2012-03-10
• [学会発表] 格子整合および格子不整合グラフェン/六方晶窒化ホウ素超格子の電子的特性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 酒井佑規、斎藤晋
  • 学会等名: 第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学(東京都)
  • 年月日: 2012-03-08
• [学会発表] 窒素ドープ型グラフェンの不純物吸着の第一原理電子構造計算 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤本義隆、斎藤晋
  • 学会等名: 第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学(東京都)
  • 年月日: 2012-03-08
• [学会発表] カーボンナノチューブにおけるキャップ構造のエネルギー論と電子状態 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤幸一郎、斎藤晋
  • 学会等名: 第42回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学(東京都)
  • 年月日: 2012-03-07
• [学会発表] Energetical Stability of Near-Armchair Carbon Nanotubes : A Systematic First-Principles Study (2012)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Kato, Takashi Koretsune, Susumu Sait
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2012
  • 発表場所: Boston Convention Center (Boston, USA)
  • 年月日: 2012-03-01
• [学会発表] Electronic structure and energetics of graphene antidot lattice (2012)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sakurai, Susumu Saito, Yasutami Takada
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2012
  • 発表場所: Boston Convention Center (Boston, USA)
  • 年月日: 2012-02-27
• [学会発表] Isotope dependence of band gap in semiconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koretsune, Susumu Saito
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2012
  • 発表場所: Boston Convention Center (Boston, USA)
  • 年月日: 2012-02-27
• [学会発表] Energetics and Electronic Properties of Carbon Nanotubes and Carbon Nanostructures (2011)
  • 著者名/発表者名: Susumu Saito
  • 学会等名: Workshop on Carbon Nanotube in Commemoration of the 20th Anniversary of its Discovery
  • 発表場所: 国際文化会館(東京都)(招待講演)
  • 年月日: 2011-12-13
• [学会発表] Electronic Properties and Energetics of Fully Optimized Single-Walled Carbon Nanotubes : A First-Principles Systematic Study (2011)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Kato, Takashi Koretsune, Susumu Saito
  • 学会等名: 2011 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 発表場所: Hynes Convention Center (Boston, USA)
  • 年月日: 2011-11-30
• [学会発表] Geometries and Electronic Structure of Graphene and Hexagonal BN Superlattice (2011)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sakai, Susumu Saito
  • 学会等名: 2011 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 発表場所: Hynes Convention Center (Boston, USA)
  • 年月日: 2011-11-28
• [学会発表] Electronic Properties and Materials Design of Graphene and Nanotube-Based Systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Susumu Saito
  • 学会等名: A3 Symposium of Emerging Materials : Nanomaterials for energy and environments
  • 発表場所: Ruihao International Hotel (Urumqi, China)(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-14
• [学会発表] Chiral and achiral carbon nanotubes : A helical-symmetry density-functional study (2011)
  • 著者名/発表者名: Susumu Saito
  • 学会等名: YIPQS Long-term Workshop (DCEN2011) : Dynamics and Correlations in Exotic Nuclei
  • 発表場所: 京都大学(京都府)(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-26
• [学会発表] 単層BNシートにドープされた不純物状態:エネルギー論と電子構造 (2011)
  • 著者名/発表者名: 藤本義隆, 是常隆, 斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山県)
  • 年月日: 2011-09-24
• [学会発表] グラフェン/二層窒化ホウ素超格子の電子構造 (2011)
  • 著者名/発表者名: 酒井佑規, 斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山市)
  • 年月日: 2011-09-24
• [学会発表] ダイヤモンド多形における光吸収スペクトルの第一原理計算 (2011)
  • 著者名/発表者名: 櫻井誠大, 斎藤晋, Jack Deslippe, Steven G.Louie
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山市)
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] カイラルナノチューブの幾何構造・電子構造・エネルギー論 (2011)
  • 著者名/発表者名: 加藤幸一郎, 是常隆, 斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山市)
  • 年月日: 2011-09-21
• [学会発表] ダイヤモンドのバンドギャップにおける電子格子相互作用の効果 (2011)
  • 著者名/発表者名: 是常隆, 斎藤晋
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山市)
  • 年月日: 2011-09-21
• [学会発表] グラフェン中の窒素欠陥のエネルギー論と原子・電子特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 藤本義隆、斎藤晋
  • 学会等名: 第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)
  • 年月日: 2011-09-07
• [学会発表] グラフェン/六方晶窒化ホウ素超格子の電子物性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 酒井佑規、斎藤晋
  • 学会等名: 第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)
  • 年月日: 2011-09-07
• [学会発表] らせん対称性を用いた第一原理計算によるカーボンナノチューブの系統的物性予測研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 加藤幸一郎、是常隆、斎藤晋
  • 学会等名: 第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)
  • 年月日: 2011-09-06
• [学会発表] 周期的に穴の開いたグラフェンの電子構造 (2011)
  • 著者名/発表者名: 櫻井誠大、斎藤晋
  • 学会等名: 第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)
  • 年月日: 2011-09-06
• [学会発表] カーボンナノチューブにおけるバンドギャップの温度依存性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 是常隆、斎藤晋
  • 学会等名: 第41回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)
  • 年月日: 2011-09-06
• [学会発表] 二酸化チタンにおける不純物効果と熱力学的性質 (2011)
  • 著者名/発表者名: 青木祐太, 斎藤晋
  • 学会等名: 応用物理学会2011秋季大会
  • 発表場所: 山形大学(山形県)
  • 年月日: 2011-08-31
• [学会発表] Pressure-Induced Structural Phase Transitions of Fullerenes and Nanotubes : A Constant Pressure Molecular-Dynamics Study (2011)
  • 著者名/発表者名: Susumu Saito
  • 学会等名: Study of Matter at Extreme Conitions 2011
  • 発表場所: Ryoal Caribbeans Liberty of the Seas (Miami, USA)(招待講演)
  • 年月日: 2011-04-01