第一原理計算による強誘電体ナノ界面の巨大ラシュバ系探索とスピン流の起源解明

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25790007
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 石井 史之 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (20432122)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: ラシュバ効果 / 強誘電体 / ナノ界面 / スピン流 / スピン軌道相互作用 / 酸化物 / 表面 / グラフェン

研究実績の概要

今年度は強誘電体薄膜, ナノ界面系のラシュバ効果を解析するために、ハイブリッドワニア関数の計算プログラムの開発をおこなった。このプログラムを用いて薄膜・界面系の層電気分極の解析をおこなった。これによってラシュバ係数の微視的な起源が明らかになった。これまでは点電荷モデルによって層分極の評価をおこなっていたが、ハイブリッドワニア関数を用いることで、量子力学に基づいた精度の高い層分極の計算が可能になり、電子分極・内部電場の正しい評価が可能になった。ハイブリッドワニア関数の手法はトポロジカル絶縁体におけるZ2不変量の計算, 異常量子ホール絶縁体(Chern絶縁体)におけるChern数の評価にも用いることが可能であり, それらについても応用計算をおこなった。研究成果の発表は, 主なものとして, 査読付き論文3報, 学会発表23件(招待講演3件, 国際学会13件)をおこなった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

グラフェン/強誘電体酸化物のナノ界面形成を想定した計算モデルにおいて、界面内の格子定数不整合により、想定していた計算規模よりも大規模な系を扱う必要性が生じ、その追加計算を実施するために研究期間を延長する。

今後の研究の推進方策

強誘電体とグラフェンの接合についての計算において、格子定数不整合の扱いで問題が生じた。さらに大規模な系の計算をおこなう。具体的には、仮定するユニットセルの格子定数について、少ない原子数になる様に近似をおこなうが、近似の精度、ラシュバ係数の収束性を確かめるために系統的な計算をおこなう。また、応力の計算もおこない、界面構造の安定性について明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

研究が遅れているグラフェン/強誘電体の界面の研究に関する成果発表ができなかったことに加え、その他の成果について学内業務等で予定していた国際会議での発表できなかったため、残額が生じた。

次年度使用額の使用計画

今年度の国内会議、国際会議での成果発表の旅費、論文オープンアクセス代金等に使用する。

研究成果

• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Sciences
• [雑誌論文] Spin-split bands of metallic hydrogenated ZnO (10-10) surface: First-principles study (2016)
  • 著者名/発表者名: M.A.U. Absor, F. Ishii, H. Kotaka, and M. Saito
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 6 ページ: 025309-1--7
  • DOI: 10.1063/1.4942104
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Persistent spin helix on a wurtzite ZnO(10-10) surface: First-principles density-functional study (2015)
  • 著者名/発表者名: M.A.U. Absor, F. Ishii, H. Kotaka, and M. Saito
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 ページ: 073006-1--3
  • DOI: 10.7567/APEX.8.073006
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] First-principles study on cubic pyrochlore iridates Y2Ir2O7 and Pr2Ir2O7 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, Y.P. Mizuta, T. Kato, T. Ozaki, H. Weng, and S. Onoda
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 84 ページ: 073703-1--5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.84.073703
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] スピネル型Ir酸化物の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井史之、小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学、仙台
  • 年月日: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [学会発表] SrTiO3薄膜におけるスピン軌道相互作用と電気分極の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] II-V族半導体ヘテロ界面における界面分極とスピン軌道結合係数の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂谷文成, 小鷹浩毅, 石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] スキルミオン結晶が大きな熱起電力を生む可能性の検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水田耀ピエール，石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] トポロジカル絶縁体の電界効果に関する第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤端日華瑠, 山口直也, 石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] 異常熱電効果の第一原理的研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井史之
  • 学会等名: スピントロニクス研究会
  • 発表場所: ガーデンシティお茶の水, 東京
  • 年月日: 2016-03-04 – 2016-03-04
  • 招待講演
• [学会発表] 異常熱電効果の第一原理的研究(First-principles study of anomalous thermoelectric effect) (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井史之
  • 学会等名: 2015年度 大阪大学産業科学研究所 共同研究会
  • 発表場所: 岐阜グランドホテル, 岐阜
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-09
  • 招待講演
• [学会発表] 歪誘起強誘電SrTiO3超薄膜における層分極及び表面分極の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 2015年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス、石川県金沢市
  • 年月日: 2015-11-28 – 2015-11-28
• [学会発表] First-Principles Study of Layer Polarization in Transition Metal Oxide Thin-films and Interfaces using One-dimensional Wannier Functions (2015)
  • 著者名/発表者名: Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] Large Anomalous Thermoelectricity on Skyrmions (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.P. Mizuta, H. Sawahata, H. Kotaka, and F. Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study of the Spin-Orbit Coupling Parameters and Layer Polarization in the III-V Semiconductor Heterostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Fuminari Sakatani and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of strain-induced polarization in bulk and thin-film SrTiO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: TOEO-9(第9回透明酸化物光・電子材料国際シンポジウム)
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • 年月日: 2015-10-19 – 2015-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] La(Al,Mn)O3/SrTiO3における電気分極の層依存性と電子状態の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] 異常Nernst係数の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 水田耀ピエール，石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
• [学会発表] Spin-orbit coupling and spin textures at oxide interfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, M. Nishida, N. Yamaguchi, H. Kotaka, M.A.U. Absor, and M. Saito
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study on cubic pyrochlore iridates Y2Ir2O7 and Pr2Ir2O7 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, Y.P. Mizuta, T. Kato, T. Ozaki, H. Weng, S. Onoda
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Rashba effect and surface spin texture in Bi (001) multi-layer nanofilm (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kotaka, F. Ishii, and M. Saito
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Possibility of Better Thermoelectricity in Anomalous Hall Systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.P. Mizuta and F. Ishii
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study of Spin-Orbit Coupling Parameters and Built-in Electric Field in LaAlO3/SrTiO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, N. Yamaguchi, M. Nishida, H. Kotaka, and M. Saito
  • 学会等名: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • 発表場所: 柏の葉カンファレンスセンター, 千葉県柏市
  • 年月日: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] Persistent spin helix on ZnO (10-10) : Fully relativistic study (2015)
  • 著者名/発表者名: Moh Adhib Ulil Absor, Fumiyuki Ishii , Hiroki Kotaka, and Mineo Saito
  • 学会等名: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • 発表場所: 柏の葉カンファレンスセンター, 千葉県柏市
  • 年月日: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of spin–orbit effects in LaAlO3/SrTiO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Yamaguchi, M. Nishida, F. Ishii, H. Kotaka, and M. Saito
  • 学会等名: The 3rd OpenMX/QMAS Workshop 2015
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-05-12 – 2015-05-12
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of Electronic Structure and Thermopower : A First-Principles Study on Pyrochlore Iridates (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. P. Mizuta, F. Ishii , and S. Onoda
  • 学会等名: The 3rd OpenMX/QMAS Workshop 2015
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-05-12 – 2015-05-12
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of topological phase transitions and spin textures by OpenMX (2015)
  • 著者名/発表者名: Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 3rd OpenMX/QMAS Workshop 2015
  • 発表場所: The University of Tokyo, The Institute for Solid State Physics, Kashiwa, Chiba, Japan
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-11
  • 国際学会 / 招待講演