原子論的シミュレーションによるナノスケール材料の形成過程と力学的特性の研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550069
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 新谷 一人 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (00162793)
• キーワード: ナノスケール材料 / 分子動力学シミュレーション / エピタキシー / ダイマー列 / ナノクラスター / 堆積 / 表面ナノ構造 / ナノワイヤ

研究概要

1.前年度に行ったシリコン原子の堆積過程に対する分子動力学シミュレーション結果の検討を行った。シミュレーションによれば、基板温度300K、500Kでは、最初の数原子層のシリコン原子はエピタキシャル成長し、その後の堆積原子は不規則構造を形成する。基板温度700K、1000Kでは、シミュレーションの実行ステップを通してシリコン原子はエピタキシャル成長する。この結果は実験で確認されているlimited-thickness epitaxyの現象と符合する。シミュレーションによれば、エピタキシャル成長モードでは過渡的な表面に<110>方向の2×1ダイマー列が形成される。ダイマー列は堆積原子に起因する表面拡散によって破壊され、ダイマー列を構成していた原子が新たに堆積する原子とともに次の堆積層を形成するダイマー列に再構成される。このようなダイマー列の破壊と再構成の繰り返しが、シリコン原子のエピタキシャル成長機構の原子論的描像である。この過程は熱活性化過程であり、堆積が進むにつれてダイマー列がエネルギー的に安定化することにより、ある時点でダイマー列の破壊が止まる。こうしてエピタキシャル成長モードから非エピタキシャル成長モードへの遷移が起こることが分かった。
2.ナノクラスターの基板上への堆積は表面ナノ構造作製法として有望である。本研究では、金ナノクラスターの金基坂上への堆積を取り上げ、堆積過程と堆積後のモルフォロジーが堆積前のクラスターのモルフォロジーや基板の温度にどのように依存するかを調べた。自由クラスターのモルフォロジーは、そのサイズと温度によって変化するから、まず、あるサイズのクラスターが設定温度において固体状態にあるか液体状態にあるかをその動径分布関数から調べた。堆積過程のシミュレーションでは、基板とクラスターに対してそれぞれ平衡化の計算を行った後に、基板表面上にソフトランディングさせてその後のクラスターのモルフォロジーの変化の過程を追跡した。その結果、クラスターが堆積前に固体状態で基板が低温の場合には、基板の結晶構造に適応するためにクラスターの構造変化が起こり、その構造変化にはエネルギー障壁が存在すること、また、堆積前のクラスターの状態と基板温度によって堆積後のクラスターのモルフォロジーをある程度制御できることが分かった。
3.金属ナノワイヤはナノデバイスにおける配線や原子スイッチとしての応用の可能性があり注目を集めている。本研究では、金ナノワイヤが実験で確認されているらせん構造を有する場合とバルクの結晶と同じく面心立方構造をとる場合とで、そのヤング率がどのように異なるかを分子動力学シミュレーションによって調べた。その結果、らせん構造を有するナノワイヤのヤング率は軸方向が<110>方向で側面が{110}面である面心立方構造のナノワイヤのヤング率より大きいが、側面が<111>面である面心立方構造のナノワイヤよりは小さいことが分かった。

研究成果

• [文献書誌] K.Shintani: "Atomistic model of limited-thickness Si(001) epitaxy at low temperatures"Journal of Applied Physics. 95. 446-453 (2004)
• [文献書誌] K.Shintani: "Molecular-dynamics modelling of the tensile deformation of helical nanowires"Materials Research Society Symposium Proceedings (Mechanical Properties Derived from Nanostructuring Materials). 778. 195-200 (2003)
• [文献書誌] 阿部 雅: "カーボンナノチューブのねじり特性の分子動力学解析"日本材料科学会平成15年度学術講演大会・創立40周年記念講演会講演予稿集. 39-42 (2003)
• [文献書誌] 亀岡俊二: "分子動力学法による金ナノワイヤの変形シミュレーション"日本材料科学会平成15年度学術講演大会・創立40周年記念講演会講演予稿集. 43-46 (2003)
• [文献書誌] 新谷一人: "金ナノワイヤの変形挙動の分子動力学解析"日本機械学会2003年度年次大会講演論文集(VI). No.03-1. 53-54 (2003)
• [文献書誌] 新谷一人: "金属ナノクラスターのモルフォロジーと堆積過程の分子動力学解析"日本機械学会M & M2003材料力学部門講演会講演論文集. No.03-11. 485-486 (2003)
• [文献書誌] 亀岡俊二: "らせん構造を有する金ナノワイヤの力学的特性の分子動力学解析"日本機械学会関東支部創立10周年記念第10期総会議演会講演論文集. No.040-1. 483-484 (2004)