| 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, 上級主任研究員 (70500784)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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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）と協力しIII-V族半導体物質の2次元構造を、密度汎関数理論に基づく第一原理分子動力学シミュレーションに研究した。2層GaN原子層の層状構造の安定構造を探索した結果、有限温度において準安定状態を含む複数の安定構造が得られた。これまでの先行研究で調べられた平面2層ハニカム構造は予想に反して最安定構造ではなく、バックリングを伴うGaN特有の構造が、最安定構造となることが初めて明らかになった。歪を加えることでバンドギャップが間接遷移から直接遷移型に変化することを示した。ナノデバイス材料としての応用が期待される。
また研究分担者は、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。海外研究者と協力して、新しい化合物による2次元材料の設計を行った。金属2次元表面のレーザー誘起ダイナミクスの計算手法を検討した。
さらに、カイラル対称性のある２次元において、コーナに局在した状態の形状依存性を解明した。コーナーを形成する２つの辺が結晶方位となす角によって、コーナ状態が出現する条件を明らかにした。このとき２次元系の普通のトポロジカル指数は自明であり、高次トポロジカル絶縁体の一例となっているが、結晶の対称性を要請していない点が新しい。
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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
端が閉じた2層グラフェンあるいは扁平したカーボンナノチューブについては、層間相互作用が重要となるアカイラルな構造の場合について詳しく調べた。その結果、半導体から金属へまた半導体へ変化する電子状態は、対応する2層グラフェンのエネルギー分散関係を離散化したものとして概ね理解された。
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、グラフェン、六方晶窒化ホウ素、窒化炭素の２次元材料におけるレーザー電場増強を示した。2次元原子層材料の光吸収と共鳴する周波数の光電場特性に着目し、電場の増幅とテラヘルツ変調効果を示した。
２層GaN原子層の構造と電子状態を第一原理分子動力学計算により調べた。その結果、バックリングを伴う構造とバンド端付近の大きな状態密度を示した。また、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。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。
カイラル対称性のある２次元およびそれを層状に積層したモデルの電子状態を計算し、コーナまたはヒンジに局在した「トポロジカル・コーナー状態」を示した。形状依存性を調べ、２つの境界と結晶方位のなす角度を変えて、「トポロジカル・コーナー状態」が出現する条件を明らかにした。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、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。
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| 今後の研究の推進方策 |
III-V族半導体物質については、水素終端したGaN原子層について構造と電子状態を明らかにする。さらに、GaN以外のIII-V族半導体物質についても構造の解明を進め研究成果をまとめて発表する。
情報理論に基づくARPES観測データ解析においては、実際の実験データに適用し、開発した解析方法の適用において抽出された課題に取り組む。
研究分担者は昨年度末からの解析と検討を完成させて国際会議において発表する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成３０年度に、研究成果をまとめ国際学会において発表する予定であったが、別の観点からの解析が必要となり、それを遂行した。計画を変更し次年度における国際会議NT19（2019/07/21-2019/07/26、Wurzburg）などにて研究分担者がプロジェクトの成果を発表することとした。未使用額はその経費に充てることとしたい。
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