| 研究課題/領域番号 |
16K05412
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
中西 毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, ラボ長 (00301771)
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| 研究分担者 |
宮本 良之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (70500784)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 原子層材料 / 電子状態計算 / 第一原理計算 / 第一原理分子動力学計算 |
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| 研究実績の概要 |
この研究では原子層物質間の層間相互作用を第一原理計算を専門とする分担者と協力しながら有効質量近似により取り扱い、単層、複数層の電子状態と電気伝導特性、ヘテロ接合における面間、面内の電気伝導など、原子層の電気伝導理論の構築を目的としている。そのうち、今年度は２次元SSHモデルを層状に積層した系において電子状態の解明を行った。このモデルのバルクの性質はトポロジカルに自明である。その様な場合でも、表面とヒンジ状態の対応関係についてトポロジカルに関する数学の研究が報告されている。
されに、ARPESによる表面状態観測データ解析の高度化、自動化のため情報理論に基づく手法開発を行った。
また、時間依存密度汎関数理論による第一原理計算を各種２次元材料に適用し、２次元材料の分極応答によるレーザー電場増強の効果を見出した。
連携研究者（産業技術総合研究所 機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センター 森下徹也主任研究員）は、シリコンなどの低次元物質の構造形成プロセスに注目して第一原理分子動力学シミュレーションを実施しており、ナノスケールシリコンの構造変化やそれに付随する電子状態変化を明らかにしてきている。29年度は28年度に引き続き、フッ化カルシウム層状物質内で形成される2層シリセンの構造形成プロセスを検証し、これまでにわかっていたフッ素含有量変化による構造不安定性が、カルシウム原子の置換によっても引き起こされることを見出した。
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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
２次元SSHモデルを層状に積層したモデルの電子状態を計算し、ヒンジに局在した「トポロジカル・コーナー状態」を示した。２次元コーナーの角度を変えて、「トポロジカル・コーナー状態」が出現する角度を明らかにした。一般の凸多角形において、出現する「トポロジカル・コーナー状態」の数とその条件を解明した。このモデルは、対称性を何も想定しないところに特徴があり、今年度幾つかのグループから提案があった結晶トポロジカル絶縁体のコーナー、ヒンジ状態とは異なる。
一方情報理論に基づき、原子層表面のARPES観測データ解析において、モデル選択の手法を開発した。テストデータを用いて、ディラックコーンの有無を高精度で判別できることを例示した。
２次元材料におけるレーザー電場増強については、グラフェン、六方晶窒化ホウ素、窒化炭素の２次元シートにおいて、波長800nm、半値幅10fsのフェムト秒レーザー電場増強により、有効レーザーパワー密度が約2倍に増強され、この2次元シート近傍の水分子のレーザー分解効率が向上することを見出した。これらの成果は2017年のPhysical Review B誌に掲載された。
シリセンについては、フッ化カルシウム層状物質内で実験的に形成が確認された2層シリセンの構造安定性を、第一原理分子動力学計算により検証した。これまでの計算から2層シリセンの構造は、シリセン表面におけるダングリングボンドの数に大きく影響を受けることがわかっており、フッ化カルシウム層におけるフッ素含有量によりダングリングボンドの活性を制御できることが明らかになっている。29年度は、同様の効果がカルシウム原子の一部をカリウム原子に置換することでも得られることを見出した。カリウム原子に置換することで構造転移が起きることを理論的に予測し、それにより更にバンドギャップの制御も可能であることを明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
ARPES観測データ解析について今後はバックグラウンドや行列要素による非対称性の効果などがある場合にも拡張し、実際の実験データに手法を適用することにより本手法を確立する。
炭素系以外の原子層材料に関しては、シリセンに加えて同様なハニカム構造を持つとされるIII-V族系の2次元構造体の構造及び電子物性を、密度汎関数理論をベースに明らかにしていく予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究代表者はプレゼンテーション用ノートパソコンを更新予定であったが、予想に比べて劣化が緩やかであり、十分な性能であったため購入を延期した。そのために使用予定だった予算が次年度に繰り越された。
次年度において研究成果を国内外の学会で積極的に発表する。その旅費として使用を予定している。
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