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密度汎関数法第一原理シミュレーションSIESTAとGAUSSIAN03、および非平衡グリーン関数法による量子輸送計算シミュレーションTranSIESTA-Cを駆使して、シリコンナノ構造(ナノドット・ナノロッド)を有する量子ナノデバイスの電子状態・輸送特性の設計・解析を推進した。シリコンナノドット素子については、直径1nm近傍で安定結晶構造として見出された正二十面体の量子ドット構造を基本ユニットとし、量子ドット2個を強く結合させた構造を形成し、電荷量子ビットとしての基本特性を評価した。その結果、単一量子ドットのLUMO軌道をベースにして、2重量子ドット内に形成される結合・反結合軌道間のエネルギーギャップは、2つの量子ドット間の距離と配向に依存するため、原子インターコネクトにより量子ドットの相対的位置を固定することが必要であることがわかった。また、2重量子ドットの結合軸と平行に外部電界を印加すると、ナノスケールでのシュタルク効果により、エネルギーギャップを外部から変調することが可能であることを見出した。更に、この量子ビット近傍にナノ電極を配置した系でのシミュレーションに成功し、ナノ電極と量子ビット間の相互作用が2準位の形成に与える影響を初めて明らかにした。
また、シリコンナノロッド素子については、水素終端されたナノロッドを金ナノ電極(111)に結合させたトランジスタ構造において、ナノロッドと電極界面の状態が、透過係数、状態密度、I-V特性等、量子輸送特性に与える影響を初めて評価した。その結果、電子の透過係数スペクトルは、ロッド/電極界面が、シリコン原子と金原子の直接的結合である場合と、水素原子を介した間接的結合である場合で異なり、その差はナノロッドの長さが短くなると、より顕著になることが見出された。
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