| 研究課題/領域番号 |
15H03564
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
白石 賢二 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (20334039)
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| 研究分担者 |
財満 鎭明 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (70158947)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | シリセン / ゲルマネン / スタネン / タイトバインディング近似 / 第一原理計算 / スピン軌道相互作用 / ナノリボン |
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| 研究実績の概要 |
シリセン、ゲルマネン、スタネンのナノリボンの電子状態をスピン軌道相互作用を考慮した多軌道タイトバインディング法によって明らかにした。その結果、一軌道近似ではほぼ完全に平坦になるバンドが分散を持つことがわかった。このことは一軌道近似ではIV系物質から構成されるナノリボンの電子状態を正確に記述できないことを意味している。バンド構造は分散を持つが、得られるエッジ状態の波動関数はリボンの終端を一個の水素で終端する場合は波動関数が端の原子に局在する藤田エッジ状態が生じるのに対し、二個の水素で終端する場合には波動関数が端から二番目の原子に局在するクラインエッジ状態が出現することがわかった。このように、端の終端によって大きくナノリボンのバンド構造が大きく依存するのは大きな発見であり、ジグザク構造を有するシリセン、ゲルマネン、スタネンでは2種類の水素終端が可能であることから現実的な物質設計になっていると考えられる。また、スピン軌道相互作用の効果を考慮してもシリセンではスピン軌道ギャップが十分に開かず、トポロジカル絶縁体としての性質は現実的には得られないことも明らかにした。この結果は江澤のシリセンはトポロジカル絶縁体であるという理論提案を完全に否定するものである。このような相違が出たのは江澤の計算において、彼がスピン軌道相互作用を100倍程度過大評価していること、シリセンに対しては悪い近似である一軌道近似を使っているためであると考えられる。
また、絶縁体Al2O3上のシリセン、ゲルマネン、スタネンの電子状態を第一原理計算で計算した。その結果、VI族原子がAl2O3内の酸素原子とかなり強い結合が形成されることがわかった。しかし、得られるバンド構造には明確なディラックコーンがフェルミ面付近に形成されており、この系においてはこれらの2次元物質が本来もつ面白い物性が発現することを理論的に明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
スピン軌道相互作用を考慮したシリセン、ゲルマネン、スタネンから構成されるナノリボンの電子状態を明らかにすることができた。また得られた結果が端の終端の仕方によってナノリボン自体のバンド構造が劇的に変わってしまうという非常に面白い結果が得られた。これはシリセン、ゲルマネン、スタネンという2次元物質の高いポテンシャルを意味しており、非常に大きな成果である。また、シリセンがトポロジカル絶縁体であるという江澤らが広めた誤った説に一石を投じることができたことも大きな成果である。これはシリコンのスピン軌道相互作用が非常に小さく、現実に実験可能な温度では観測が不可能であることに起因する。それに対して、ゲルマネン、スタネンはトポロジカル絶縁体として期待できることも明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、これらの理論的な実績にもとづいてVI族系2次元物質の合成を目指す実験的研究にも注力してゆきたい。実験の研究でもAg-induced Layer Exchange (ALEX)と我々が名づけたAgで被覆したSiやGeの基板からSiやGeを析出させる方法も順調にすすんでおり、これからの成果に期待がもてる。また、理論計算では絶縁体上のVI族系二次元物質の電子状態をさらに高精度に明らかにしてゆく予定である。
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