原子層の電子物性、量子輸送および光物性の理論

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 原子層科学
• 研究課題/領域番号: 25107005
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 越野 幹人 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60361797)
• 研究分担者: 齋藤 理一郎 東北大学, 理学研究科, 教授 (00178518) ; 齋藤 晋 東京工業大学, 理学院, 教授 (00262254) ; 青木 秀夫 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 招聘研究員 (50114351) ; 若林 克法 関西学院大学, 理工学部, 教授 (50325156)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 原子層 / グラフェン / 遷移金属カルコゲナイド

研究実績の概要

平成28年度は、様々な原子層物質における輸送現象、光物性、熱電効果に関する研究が行われた。越野は羽部とともに遷移金属カルコゲナイドにおけるスピン緩和を理論的に解析した。また近年実験的に実現された３次元グラフェンスポンジ物質に関して、越野と青木は周期系を仮定したバンド構造を計算するとともに、菅原（物性班）ら実験グループとともに電子輸送特性の評価と理論解析を行った。また越野は応用班谷口、渡邊、またMax Planck研究所とともに回転積層グラフェンにおける量子ホール効果についての実験および理論解析を行い、純粋なグラフェン系でHofstadter butterfly効果を初めて明瞭に観測した。齋藤らは原子層物質を始めとする低次元物質における熱電性能についての一般論を確立した。特に、空間的な閉じ込め長さが熱的ドブロイ波長が下回るときにのみ増強効果があることを示し、増強値を25年ぶりに理論的に更新した。
また遷移金属カルコゲナイドの光バレー偏極を横断的に調べ、どの物質が最も優れた偏極を示すかを決定した。若林らは、円偏向の電磁場照射下でのカーボンナノチューブの電子状態をFloquet理論によって調べ、円偏向の電磁場照射によってナノチューブがバレーフィルターとして働くことを明らかにした。また斎藤晋らにより２層系h-BNの積層と歪みによる電子構造が詳しく調べられ、特に「ひずみ」を導入することで、間接ギャップ半導体から直接ギャップ半導体に転移することが明らかになった。青木, Maksym（レスター大）は２層グラフェンに垂直電場を印加することで、電子の運動に複屈折効果および負の屈折率をもたらすことを明らかにし、電子線に対する一種のレンズとして働くことを示した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究対象は遷移金属カルコゲナイド等のグラフェン以外の原子層物質にも広がり、また複合原子層の研究も発展した。物理現象としては、今まで中心であった電子輸送や光物性以外にも、現在注目を集めている熱電効果やスピントロニクスへと発展し、総合的な物性理論をカバーしつつある。

今後の研究の推進方策

５年間の研究の総括に向け、グラフェン、遷移金属カルコゲナイド、黒リンなど各物質ごとに広がった研究を完成させ理論体系としてまとめる。また原子層スピントロニクスや熱電効果にも力を入れるとともに、最近注目されつつある磁性原子層や超伝導原子層などの新しい物質の理論の構築も取り組む。

研究成果

• [国際共同研究] マサチューセッツ工科大学/コロンビア大学/ハーバード大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: マサチューセッツ工科大学/コロンビア大学/ハーバード大学
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] 中国科学院IMR/ニューヨーク大学上海(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 中国科学院IMR/ニューヨーク大学上海
• [国際共同研究] ランカスター大学/レスター大学/エクセター大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ランカスター大学/レスター大学/エクセター大学
• [国際共同研究] 韓国高等科学院（KIAS）(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 韓国高等科学院（KIAS）
• [国際共同研究] IISER Tirupati/Indian Statistical Institute(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: IISER Tirupati/Indian Statistical Institute
• [雑誌論文] Laser energy dependence of valley polarization in transition-metal dichalcogenides (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tatsumi, K. Ghalamkari, R. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 235408
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.235408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental determination of excitonic band structures of single-walled carbon nanotubes using circular dichroism spectra (2016)
  • 著者名/発表者名: X. Wei, T. Tanaka, Y. Yomogida, N. Sato, R. Saito, H. Kataura
  • 雑誌名: Nature Communication 巻: 7 ページ: 12899
  • DOI: DOI:10.1038/ncomms12899
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In-Plane Optical Anisotropy of Layered Gallium Telluride (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Huang, Y. Tatsumi, X. Ling, H. Guo, Z. Wang, G. Watson, A. A. Puretzky, D. B. Geohegan, J. Kong, J. Li, T. Yang, R. Saito, M. S. Dresselhaus
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 10 ページ: 8964-8972
  • DOI: DOI:10.1021/acsnano.6b05002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical Study of Carbon Nanotubes under Circularly-polarized Irradiations (2016)
  • 著者名/発表者名: Feng Liu, Yudai Nakajima and Katsunori Wakabayashi
  • 雑誌名: Appl.Phys. Express 巻: 9 ページ: 85101
  • DOI: DOI:10.7567/APEX.9.085101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical excitation of surface plasma waves without grating structures (2016)
  • 著者名/発表者名: Hai-Yao Deng, Feng Liu and Katsunori Wakabayashi
  • 雑誌名: EPL 巻: 114 ページ: 35002
  • DOI: DOI:10.1209/0295-5075/114/35002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phonon-assisted indirect transitions in angle-resolved photoemission spectra of graphite and graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: P. Ayria, S. Tanaka, A. R. T. Nugraha, M. S. Dresselhaus, R. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 75429
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.07542910.1063/1.4960531
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Broadband transverse electric surface wave in silicene (2016)
  • 著者名/発表者名: M. S. Ukhtary, A. R. T. Nugraha, E. H. Hasdeo, R. Saito
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 109 ページ: 63103
  • DOI: DOI:10.1063/1.4960531
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fermi energy dependence of first- and second-order Raman spectra in graphene: Kohn anomaly and quantum interference effect (2016)
  • 著者名/発表者名: E. H. Hasdeo, A. R. T. Nugraha, M. S. Dresselhaus, R. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 75104
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.075104
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum Effects in the Thermoelectric Power Factor of Low-Dimensional Semiconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: N. T. Hung, A. R. T. Nugraha, E. H. Hasdeo, M. S. Dresselhaus, R. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 117 ページ: 36602
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.117.036602
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Understanding the interactions between lithium polysulfides and N-doped graphene using density functional theory calculations (2016)
  • 著者名/発表者名: L. C. Yin, J. Liang, G. M. Zhou, F. Li, R. Saito, H. M. Cheng
  • 雑誌名: Nano Energy 巻: 25 ページ: 203-210
  • DOI: DOI:10.1016/j.nanoen.2016.04.053
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Raman spectroscopy of transition metal dichalcogenides (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Saito, Y. Tatsumi, S. Huang, X. Ling, M. S. Dresselhaus
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 28 ページ: 353002
  • DOI: DOI:10.1088/0953-8984/28/35/353002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple electronic Raman scatterings in a single metallic carbon nanotube (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Zhang, J. Yang, E. H. Hasdeo, C. Liu, K. Liu, R. Saito, Y. Li
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 245428
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.245428
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Angular momentum and topology in semiconducting single-wall carbon nanotubes (2016)
  • 著者名/発表者名: W. Izumida, R. Okuyama, A. Yamakage, R. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 195442
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.195442
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic Electron-Photon and Electron-Phonon Interactions in Black Phosphorus (2016)
  • 著者名/発表者名: X. Ling, S. Huang, E. H. Hasdeo, L. Liang, W. M. Parkin, Y. Tatsumi, A. R. T. Nugraha, A. A. Puretzky, P. M. Das, B. G. Sumpter, D. B. Geohegan, J. Kong, R. Saito, M. Drndic, V. Meunier, M. S. Dresselhaus
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 16 ページ: 2260-2267
  • DOI: DOI:10.1021/acs.nanolett.5b04540
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Absorption of THz electromagnetic wave in two mono-layers of graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: C. B. Reynold, M. S. Ukhtary, R. Saito
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 49 ページ: 195306
  • DOI: DOI:10.1088/0022-3727/49/19/195306
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Intrinsic strength and failure behaviors of ultra-small single-walled carbon nanotubes (2016)
  • 著者名/発表者名: N. T. Hung, D. V. Truong, V. V. Thanh, R. Saito
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 114 ページ: 167-171
  • DOI: DOI:10.1016/j.commatsci.2015.12.036
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction-induced insulating state in thick multilayer graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Nam, D. K. Ki, M. Koshino, E. McCann, A. F. Morpurgo
  • 雑誌名: 2D Materials 巻: 3 ページ: 45014
  • DOI: DOI:10.1088/2053-1583/3/4/045014
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge inversion and topological phase transition at a twist angle induced van Hove singularity of bilayer graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kim, P. Herlinger, P. Moon, M. Koshino, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Smet
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 16 ページ: 5053
  • DOI: DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01906
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cyclotron resonance of figure-of-eight orbits in a type-II Weyl semimetal (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 35202
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.035202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetotransport in Weyl semimetals in the quantum limit: Role of topological surface states (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuya Ominato and M. Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 245304
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.245304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modulation of mechanical resonance by chemical potential oscillation in graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: C. Chen, V. V. Deshpande, M. Koshino , S. Lee, A. Gondarenko, A. H. MacDonald, P. Kim, J. Hone
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 12 ページ: 240-244
  • DOI: DOI:10.1038/nphys3576
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transport conductivity of graphene at RF and microwave frequencies (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Awan, A. Lombardo, A. Colli, G. Privitera, T. Kulmala, J. Kivioja, M. Koshino, and A. C Ferrari
  • 雑誌名: 2D Materials 巻: 3 ページ: 15010
  • DOI: DOI:10.1088/2053-1583/3/1/015010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin relaxation in hole-doped transition metal dichalcogenide monolayer with the crystal defects (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Habe and M. Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 75415
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.075415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic susceptibility in three-dimensional nodal semimetals (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino and I. F. Hizbullah
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 45201
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.045201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dirac electrons on three-dimensional graphitic zeolites: A scalable mass gap (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino and H. Aoki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 41412
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.041412
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles design of a half-filled flat band of the Kagome lattice in two-dimensional metal-organic frameworks (2016)
  • 著者名/発表者名: Masahiko G. Yamada, Tomohiro Soejima, Naoto Tsuji, Daisuke Hirai, Mircea Dinca and Hideo Aoki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 81102
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.081102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Boundary conditions at closed edge of bilayer graphene and energy bands of collapsed nanotubes (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Nakanishi and T. Ando
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 155401/1-22
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.155401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of magnetic response in two-dimensional giant Rashba system (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Suzuura and T. Ando
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 085303/1-11
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.085303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of Hall effect in two-dimensional giant Rashba systems (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Suzuura and T. Ando
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 035302/1-13
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.035302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Weak-field Hall effect in graphene with long-range scatterers (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Noro and T. Ando
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 014708-1--13
  • DOI: DOI:10.7566/JPSJ.85.014708
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gas adsorption, energetics and electronic properties of boron- and nitrogen-doped bilayer graphenes (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujimotoa, S. Saito
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 478 ページ: 55-61
  • DOI: DOI:10.1016/j.chemphys.2016.05.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band engineering and relative stabilities of hexagonal boron nitride bilayers under biaxial strain (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujimotoa, S. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 245427
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.245427
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlayer distances and band-gap tuning of hexagonal boron-nitride bilayers (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujimoto and S. Saito
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn 巻: 124 ページ: 584
  • DOI: DOI:10.2109/jcersj2.15285
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of strain on carbon donors and acceptors in hexagonal boron-nitride monolayers (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujimoto and S. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 45402
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.93.045402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Entanglement Chern Number of the Kane-Mele Model with Ferromagnetism (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Araki, T. Kariyado, T. Fukui and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 43706
  • DOI: DOI:10.7566/JPSJ.85.043706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hannay Angle: Yet Another Symmetry-Protected Topological Order Parameter in Classical Mechanics (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kariyado and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 43001
  • DOI: DOI:10.7566/JPSJ.85.043001
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Spin Pump Characterized by Entanglement Chern Numbers (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 83703
  • DOI: DOI:10.7566/JPSJ.85.083703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bulk-edge correspondence in topological pumping (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hatsugai and T. Fukui
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 41102
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.041102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice realization of the generalized chiral symmetry in two dimensions (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kawarabayashi, H. Aoki and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 235307
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.235307
  • 査読あり
• [雑誌論文] Section Chern number for a three-dimensional photonic crystal and the bulk-edge correspondence (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Oono, T. Kariyado and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 125125
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.94.125125
  • 査読あり
• [学会発表] Nanoscale adn Edge Effects on Electronic Properties of BC3 Nanoribbons (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsunori Wakabayashi
  • 学会等名: MOST Taiwan Consortium of Emergent Crystalline Materials (TCECM)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nanoscience and technology in carbon materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsunori Wakabayashi
  • 学会等名: Special Lecture, IISER Tirupati
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Thermoelectric power and circular dichroism of single wall carbon nanotubes (2016)
  • 著者名/発表者名: Riichiro Saito
  • 学会等名: International Symposium on Carbon Nanotube (CNT25)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optical Properties for circular polarized light in carbon nanotubes and transition metal dichalcogenides (2016)
  • 著者名/発表者名: Riichiro Saito
  • 学会等名: 7th A3 Symposium on Emerging Materials, Buyei, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Raman spectroscopy of atomic layer materials (Plenary talk) (2016)
  • 著者名/発表者名: Riichiro Saito
  • 学会等名: XXV International conference on Raman spectroscopy (ICORS 2016), Fortaleza, Brazil
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Raman spectroscopy of atomic layer materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Riichiro Saito
  • 学会等名: The 3rd Muju Winter school, Muju resort, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Tunable photo absorption of terahertz electromagnetic wave by double layer graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: Riichiro Saito
  • 学会等名: Asia-Pacific Workshop (APW)-CEMS joint workshop, Highlights of modern condensed matter physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of incommensurate 2D crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 1th International Symposium on Computational Challenges and Tools for Nanotubes (CCTN16)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Designing carbon-based systems into ferromagnetic and topological (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideo Aoki
  • 学会等名: Global Graphene Forum, Stockholm, Sweden
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Doping and interlayer interaction in h-BN monolayer and bilayer sheets and BN nanotubes (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Saito, M. Toyoda, and Y. Fujimoto
  • 学会等名: 7th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy and Environment
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Density functional theory: beyond or within Dirac's desire? (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Saito
  • 学会等名: Workshop on Current Trends and Future Directions in Relativistic Many Electron Theories
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective-mass description of electronic states in carbon nanotubes: From absence of backscattering to collapsed structure (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ando
  • 学会等名: International Symposium on Carbon Nanotube in Commemoration of its Quarter-Century Anniversary (CNT25)
  • 国際学会 / 招待講演