液体砒素・カルコゲン混合系における非金属・金属転移の第一原理シミュレーション

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12740237
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 下條 冬樹 広島大学, 総合科学部, 助手 (60253027)
• キーワード: 半導体・金属転移 / 砒素 / カルコゲン / セレン / 液体 / 第一原理分子動力学法 / 理論 / シミュレーション

研究概要

液体砒素・カルコゲン混合系(As_2S_3、As_2Se_3、As_2Te_3)は、2配位をとるカルコゲンと3配位をとる砒素からなる三次元ネットワーク構造を持つ。低温で半導体的性質を示し、温度を上昇させていくと非金属・金属転移を起こし金属状態になる。この金属化の機構を解明することを目的として、本年度は、まず、比較すべき実験データが豊富な、As_2Se_3に対して第一原理分子動力学法による計算機シミュレーションを実行した。計算によって求められた静的構造因子や配位数の温度変化は、X線回折やEXAFSの実験結果を良く再現する。本研究により、明らかになったことは、以下の通りである。
1.液体As_2Se_3の非金属・金属転移とイオンの構造変化の関係について
温度上昇と共に、液体内の共有結合が切断され、1配位をとるセレンと2配位をとる砒素が増加する。このことは、この液体の構造が、三次元ネットワーク構造から一次元的鎖構造へ変化していることを意味する。また、この構造変化と同時に、異種イオン(As-Se)間の結合が減り、同種イオン(As-As,Se-Se)間の結合が増加する。
2.液体As_2Se_3の非金属・金属転移と電子状態の関係について
温度上昇と共に増加した2配位をとる砒素の周りには、カルコゲン鎖と同様に、共に2重に宿退した結合、非結合状態が(pバンドに)出現する。砒素のp電子は3個しかないため、これらの状態を全て占有することができない。このことが、As_2Se_3における金属化の主な機構である。また、砒素の周りの空いた非結合状態を占有するために、セレンの周りから電荷移動が起こることもわかった。

研究成果

• [文献書誌] 下條冬樹: "Temperature Dependence of Atomic Structure in Liquid As_2Se_3 : ab initio Molecular-Dynamics Simulations"Journal of Physics : Condensed Matter. 12. 6161-6172 (2000)
• [文献書誌] 下條冬樹: "Stability of the Chain Structure in Liquid Alkali Tellurides : ab initio Molecular-Dynamics Simulations"Physical Review B. (掲載決定). (2001)
• [文献書誌] 下條冬樹: "Molecular-Dynamics Simulation of Structural Transformation in Silicon Carbide under Pressure"Physical Review Letters. 84. 3338-3341 (2000)
• [文献書誌] 下條冬樹: "A scalable molecular-dynamics algorithm suite for materials simulations : design-space diagram on 1,024 Cray T3E processors"Future Generation Computer Systems. 17. 279-291 (2000)
• [文献書誌] 星野公三: "Metal-semiconductor transition in liquid-alkali-Te mixtures : ab initio molecular-dynamics simulations"Journal of Physics : Condensed Matter. 12. A189-A194 (2000)
• [文献書誌] 宗尻修治: "Photo-induced structural change in liquid sulphur"Journal of Physics : Condensed Matter. 12. 7999-8008 (2000)
• [文献書誌] 宗尻修治: "Dynamic structure of expanded liquid rubidium from a molecular-dynamics simulation"Journal of Physics : Condensed Matter. 12. 4313-4326 (2000)
• [文献書誌] 仙田康弘: "The ionic structure and the electronic states of liquid Li-Pb alloys by ab initio molecular dynamics simulations"Journal of Physics : Condensed Matter. 12. 6101-6112 (2000)
• [文献書誌] 尾形修二: "Hybrid quantum mechanical/molecular dynamics simulation on parallel computers : density functional theory on real-space multigrids"Computer Physics Communications. (掲載決定). (2001)
• [文献書誌] 尾形修二: "Role of atomic charge-transfer on sintering of TiO_2 nanoparticles : variable-charge molecular dynamics"Journal of Applied Physics. 88. 6011-6015 (2000)