第一原理電子状態計算にもとづく金属/絶縁体超格子の電子特性

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13640333
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 松浦 満 山口大学, 工学部, 教授 (60091211)
• 研究分担者: 栗巣 普揮 山口大学, 工学部, 助手 (00253170)
• キーワード: 金属 / 絶縁体超格子 / FLAPW / 密度汎関数法 / バンドオフセット / トンネル電流

研究概要

実験で作製されている超格子系Ti/MgOについて密度汎関数法にもとづく第1原理電子構造計算手法を用いて理論的に電子的性質の計算を行い解明を進めた。なお、具体的なバンド計算法としては、共有結合的な原子間の電荷密度の記述も出来、現在最も効率的で信頼性のある手法の1つであるFLAPW法(フルポテンシャル線形化APW法)を用いた。
計算では、まず全エネルギー最小により実験のX線構造解析では確定していない界面での原子配置を含めた系全体の原子配置を定める。次にこの構造に対して電子構造、各バンドの性格、電荷分布、状態密度、フェルミ面の計算を行い、結合状態や界面での電荷移動などを含めこの系の電子構造の基本的な性格を明らかにした。
Ti/MgO超格子は面方向では金属的であるが、成長方向では金属層、絶縁体層に閉じ込められ量子化された離散的な状態が両層ともに存在している状態を形成している。この付近ではMgOのバンドギャップにTiのs, p軌道が入り込み電子が金属層に閉じ込められていることが分かった。Ti/MgO超格子のX線による発光、吸収スペクトルを計算した。結果は、量子閉じ込め効果による階段状のスペクトルを示す。
Ti/MgO超格子に対して、各バンドの位置関係、即ち、バンドダイヤグラムを電子構造に基づき求めた。MgOのバンドギャップに実験値を用いるこの伝導帯の底とMgOの伝導帯の底間のエネルギー差は、ΔEoc=8.90(eV)となった。
また、新規熱電物質スクッテルダイト構造物質の電子状態の計算を行い、熱電特性の解明とその向上へ向けた研究を行い、この物質を用いた超格子系の研究のベースとした。
以前より共同研究を進めているTi/MgOの金属/絶縁体超格子系の作製を行っている中国技術研究所グループと協力し光電子分光(XPS)を測定し、価電子帯の状態密度の理論的結果との比較検討し、その基礎的な物性を解明することを開始している。

研究成果

• [文献書誌] KOGA, Kenji, AKAI, Kouji, OSHIRO, Kazunori, KADO, Tetsuo, MATSUURA, Mitsuru: "Electronic Structure of Metal, Ti,/Insulator MgO Superlattice"Material Research Society 2001 ABSTRACTS, 04.3. 304 (2001)
• [文献書誌] 古賀健治, 櫻井俊爾, 赤井光治, 門 哲男, 松浦 満: "金属Ti/絶縁体MgO超格子の電子構造と電子特性"第12回光物性研究会 論文集. 114-117 (2001)
• [文献書誌] KOGA, Kenji, AKAI, Koji, Kazunori Oshiro, MATSUURA Mitsuru: "X'ray Spectra of Skutterudite and Filled Skutterudite"PROCEEDINGS of 20^<th> International Conference on Thermoelectrics. 105-108 (2001)
• [文献書誌] ANNO, H, G.S.Nolas, AKAI, Kouji, ASHIDA, K, MATSUURA, Mitsuru, MATSUBARA, Kakuei: "Electronic Structure of Yb-filled CoSb_3 Skutterudites Studied by X-ray Photoelectron Spectroscopy"PROCEEDINGS of 20^<th> International Conference on Thermoelectrics. 61-64 (2001)
• [文献書誌] ANNO.H, AKAI, Kouji, NAGOYA.J, ASHIDA, K., MATSUURA, Mitsuru, MATSUBARA, Kakuei: "Electronic Structure and Properties of Co_<1-x>MSb_3(M=Fe, Ni, Pd, Pt) Skutterudites"PROCEEDINGS of 20^<th> International Conference on Thermoelectrics. 101-104 (2001)
• [文献書誌] KOGA, Kenji, AKAI, Kouji, OSHIRO, Kazunori, MATSUURA, Mitsuru: "Electronic Structure and Thermoelectric Property of Skutterudite CoSb_3"Material Research Society 2001 ABSTRACTS, 04.3. 133 (2001)