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本研究の目的は、ナノスケールにおける表面電気伝導の理論的な研究である。今年度は、中間サイズ・ナノワイヤーの表面伝導について研究を行った。ここで、中間サイズ・ナノワイヤーとは直径が数nm程度のナノワイヤーのことである。このサイズは、原子スケールよりやや大きいが、表面の影響が無視出来ない大きさである。将来、ナノワイヤーの微細化が進めばこのサイズのワイヤーの物性が重要となると予想されるが、一方、基礎的な面からも興味が持たれる。すなわち、ナノワイヤーの表面に表面状態が存在する場合には、(i)表面状態とバルク状態が区別可能であり、かつ、(ii)表面状態による伝導の寄与がバルクと同程度なケースとなる。特に、バンドギャップ中に表面状態がある半導体の場合には、低バイアスでの伝導は表面状態のみによる伝導となる可能性がある。この場合には、電流分布が著しく非一様であり、そのことは電気伝導以外の物性にも影響を及ぼすと考えられる。
今年度は、様々な中間サイズ・ナノワイヤーのなかで、側面が{111}と{100}面からなる理想的なシリコン・ナノワイヤーの電気伝導度を、ランダウアー公式を用いて計算した。その結果得られた新たな知見は、(i)表面状態バンドのエネルギーが側面によって異なることから、バイアスによって電流が流れる面が変化すること、(ii)面と面とが接する線の付近に局在する一次元的な状態であるエッジ状態が表面バンドの外に現れること、(iii)エッジ状態状態が現れるエッジと現れないエッジがあり、その原因を明確にしたこと、である。本研究の研究成果は、学術雑誌Physical Review Bに掲載されることが決まった。
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