二次元層状物質の積層構造によるバンドエンジニアリングの理論

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K03844
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 苅宿 俊風 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (60711281)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 原子層物質 / 物質設計 / 超構造 / 電子状態制御 / 第一原理計算

研究実績の概要

電子のバンド構造を制御することは，電子を自在に操るための基礎を与える．近年グラフェンをはじめとする原子層物質の積層構造を人工的に作り込むことによる電子状態制御が注目を集めており，特に層間の相対角度や格子定数にわずかな非整合に起因するモアレパターンと呼ばれる長周期構造の影響が盛んに調べられている．本研究課題ではi) 積層構造による電子状態制御の理論の整備，ii) 物質設計，iii) 異方的なバンドの平坦化（電子状態の次元性制御）による新奇物性の探索，iv) トポロジカル平坦バンドの探究，といったテーマを軸にモアレパターン下の電子状態の研究を進めている．まず理論の整備に関連し，モアレパターン下の電子状態解析では局所的に非整合を無視する近似が有用であることが物質各論から示唆されていたが，角度非整合についてはこの局所近似のより一般の場合における有用性を簡単なモデルによる数値的な検証を通して確認することに成功した．これにより今後の物質設計・物質探索，そしてその解析のための道筋をつけることができた．一方異方的なバンドの平坦化についてはグラフェン関連物質からひとつ，またIV族カルコゲナイド系からひとつ候補物質を選定し解析を行った．既に第一原理計算による構造最適化および電子状態計算から有効模型を構築した．またその有効模型を用いて両候補物質の角度非整合二層系の解析を行い，これらが相対角度の操作によって異方的バンド平坦化を起こすことを示した．この結果は原子層物質の積層構造の制御により電子の次元性を操作することができることを示しており，今後のさらなる研究の発展にもつながる成果である．

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

まずいくつかの候補物質に対してすでに具体的な計算を済ませられたことは研究の流れの中では大きく，非常に順調な進捗状況であると言える．一方，研究計画の初年度であることを差し引いても論文執筆や研究発表などアウトリーチ活動についてはやや立ち遅れており，改善の余地がある．

今後の研究の推進方策

全体的には概ね順調に進捗しているのでこれからも当初の計画に沿って研究を進める．ただし，既に得た研究結果を論文として公表することは早急に行う必要がある．今後のさらなる研究の発展のため，実験研究者との共同研究をこれまで以上に進めていく予定である．本研究課題の立案時には共同研究による研究の加速を意図し予算は旅費に多く割り当てていた．しかしwithコロナの社会情勢のなかで研究の効率を最大化するため，予算の使用方法についても慎重に検討していく．

次年度使用額が生じた理由

当初計画においては研究加速の方策としての海外の他研究機関への訪問などを考え予算の多くを旅費に割く計画を立てていた。しかし実際には出張などは難しい社会情勢になっており予算について再検討が必要となった。社会情勢次第では当初計画通り旅費として利用する含みも持たせるため他の研究加速手段への予算の振り替えは保留し、また本格的に予算再編成とする場合の利便性も考慮した結果表記の次年度使用額が発生した。今後も社会情勢に注視しながら場合によっては旅費から計算機やソフトウェアライセンス購入・スパコン利用料などへの振り替えを検討する。