計算科学に基づく新奇原子層物質複合系の物性解明と物質設計

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 原子層科学
• 研究課題/領域番号: 26107509
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 原子層物質 / グラフェン / ナノカーボン

研究実績の概要

本研究では量子論に基づく計算科学の手法を用いて、種々の原子層物質と種々の広義異種物質とから形成される複合構造体の基礎物性の解明を行い、そこで得られた知見を基に、原子層の関わる複合界面科学構築の糸口の提示と、原子層物質を用いた機能性デバイスの設計指針の 提示をおこなうことを目的とする。
初年度は、まず、電界下におけるナノグラフェンリボンの電子物性の解明をおこなった。グラフェンリボンに対して平行電界を印加すると、端形状に依存した得意な遮蔽現象が発現する。すなわち、ジグザグリボンでは端近傍において電界に対する過遮蔽現象が発現するのに対して、アームチェアリボンでは結合交代に起因する階段状の電界遮蔽がリボン中において見られることが明らかになった。さらに、横電界下においてリボンの外側にリボン端に平行に分布する自由電子状態が電界を強くすると低エネルギーシフトし電子注入が可能であることも明らかにした。
つぎに、３つの５員環（アセペンタレン構造）から構築される、新奇２次元炭素シートの物質設計と物性解明を行った。その結果、この新規２次元炭素シートがエネルギー的に非常に安定であることを示し、さらに、端や欠陥を有さない完全位飽和したsp2炭素ネットワークにもかかわらず、スピン分極を示す可能性があることを示した。すなわち、全炭素原子からなる２次元の強磁性シートの可能性を提示した。
最後に、欠陥を有するCNTのFET構造中における電荷蓄積機構の理論的解明を行った。ここでは、各種欠陥を有するCNTに対して電界印加によりキャリア注入を行い、キャリア注入に要するゲート電界と欠陥の種類、CNT配向の間の相関を調べた。その結果、 CNT中の欠陥はCNTに対して内部電界を誘起し、外部電界と競合／強調することによりCNT配向に応じたキャリア注入に要するゲート電界のばらつぎが存在することを明らかにした。

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

電界下におけるナノグラフェンリボンの電子物性に対する知見の蓄積、各種欠陥を有するsp2ネットワーク物質の基礎物性の解明を行った。その結果、複合構造形成によるこれら原子層物質の物性の変調を明らかにする。一方、カルコゲナイド系原子層物質複合構造に対する基礎的な知見も得られつつあり、当初計画に沿った研究の進展が得られている。

今後の研究の推進方策

複合構造体の基礎物性解析の結果を基盤として、高次複合構造体、すなわち、デバイス構造を念頭に置いて、原子層物質／異種物質基板／外部電界、金属電極／原子層物質／絶縁体基板といった３要素以上からなる複合構造体に着目し、その基礎物性を第一原理計算によりおこない、デバイス設計指針の提示に必要な知見の蓄積を行う。その知見を統合することにより原子層新奇デバイスの設計指針の理論的提示を行う。
さらに、種々の原子種を用いて、新規２次元原子層物質の物質設計を行う。特に、炭素に着目し、その蜂の巣ネットワーク構造へのトポロジカルな欠陥の導入により、磁性等の新たな物性発現が期待される原子層物質の物質設計を量子論に立脚した第一原理電子状態計算の手法を用いて行う。原子層物質の物質設計については、原子層物質のネガ版と看做すことが出来る、原子空孔からなる原子層状物質の物質設計も同時に行う。特に、半導体表面に構築されたダングリングボンドが、そのネットワーク形状に依存した特異な電子物性を発現させることに着目した物質設計をトポロジカル、第一原理的手法を相補的に用いて実施する。

研究成果

• [雑誌論文] Geometric and Electronic Structures of Polymerized C32 Fullerenes: Electronic Structure Tuning by Fullerene and Carbon Nanotube Filling (2015)
  • 著者名/発表者名: Mina Maruyama, Susumu Okada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 54 ページ: 06FF02
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.06FF02
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dispersion of CNT in Organic Solvent by Commercial Polymers with Ethylene Chains: Experimental and Theoretical Studies (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shigeta, K. Kamiya, M. Uejima, S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 035101
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.035101
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic transport properties of 10 nm graphene channel between Au electrodes (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Jippo, M. Ohfuchi, and S. Okada
  • 雑誌名: e-J. Surf. Sci. Nanotechnol 巻: 13 ページ: 54-58
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2015.54
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nano-Saturn: Theoretical Design of New C60 Inclusion Compounds (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kigure and S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 06FF01
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.06FF01
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energetics and electronic structures of polymerized cyclobutadiene (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Maruyama, K. Nakada, and S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 035103
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.035103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrostatic modulation of electron-states in MoS2: First-principles Calculations (2014)
  • 著者名/発表者名: N.-T. Cuong, M. Otani, and S. Okada
  • 雑誌名: J. Phys.: Cond. Matter 巻: 26 ページ: 135001
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/13/135001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Flexible metallic nanowires with self-adaptive Ohmic contact to semiconducting transition-metal dichalcogenide monolayers (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Lin, O. Cretu, W. Zhou, K. Suenaga, D. Prasai, K. I. Bolotin, N.-T. Cuong, M. Otani, S. Okada, A. R. Lupini, J.-C. Idrobo, D. Caudel, A. Burger, N. J. Ghimire, J. Yan, D. G. Mandrus, S. J. Pennycook, S. T. Pantelides
  • 雑誌名: Nature Nanotechnol. 巻: 9 ページ: 436 - 442
  • DOI: 10.1038/nnano.2014.81
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two-dimensional sp2 Carbon Networks of Fused Pentagons (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Maruyama and S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JD02
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JD02
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural Dependence of Electronic Properties of Graphene Nanoribbons on an Electric Field (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Yamanaka and S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JD05
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JD05
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energetics and Electronic Structures of C60 Included in [n]Cyclacene Molecules: Dynamical and Electronic Properties of C60 (2014)
  • 著者名/発表者名: S, Kigure and S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JD06
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JD06
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An anomalous dipole-dipole arrangement of water molecules encapsulated into C60 dimer (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nomura and S. Okada
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 608 ページ: 351-354
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.06.013
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-state tuning of decamethyl C60 by an external electric field (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Narita and S. Okada
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 614 ページ: 10-14
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.08.063
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coulomb Interaction Effects on Optical Properties of Monolayer Transition Metal Dichalcogenides (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Konabe and S. Okada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 155304
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.155304
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structures of carbon nanotubes with monovacancy under an electric field (2014)
  • 著者名/発表者名: U Ishiyama, N.-T. Cuong, and S. Okada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 115102
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.115102
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic and Geometric Structures of Carbon Nanotubes Encapsulating Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kigure, Y. Iizumi, T. Okazaki, and S. Okada
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 83 ページ: 124709
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.124709
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electron injection into nearly free electron states of graphene nanoribbons under a lateral electric field (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Yamanaka and S. Okada
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 7 ページ: 125103
  • DOI: 0.7567/APEX.7.125103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nanoporous Carbon Tubes from Fullerene Crystals as the pi-Electron Carbon Source (2014)
  • 著者名/発表者名: L. K. Shrestha, R. G. Shrestha, Y. Yamauchi, J. P. Hill, T. Nishimura, K. Miyazawa, K. Wakabayashi, T. Kawai, S. Okada, and K. Ariga
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 53 ページ: 951 - 955
  • DOI: 10.1002/anie.201408856
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Threshold Voltage Variation for Charge Accumulation in CNT Due to the Monatomic Defect Arrangement (2014)
  • 著者名/発表者名: U Ishiyama and Susumu Okada
  • 学会等名: MNC2014, 27th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 発表場所: ヒルトン福岡シーホーク(福岡)
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [学会発表] Spin-State Tuning of Decamethyl C60 by an Electric Field (2014)
  • 著者名/発表者名: Kohei Narita and Susumu Okada
  • 学会等名: MNC2014, 27th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 発表場所: ヒルトン福岡シーホーク(福岡)
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [学会発表] `Electronic Properties of Graphene under an Electric Field (2014)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
  • 学会等名: International Conference of Synthetic Metals
  • 発表場所: Turku, Finland
  • 年月日: 2014-06-30 – 2014-07-05
• [学会発表] Two-dimensional sp2 carbon network consisting of fused pentagon2 (2014)
  • 著者名/発表者名: Mina Maruyama and Susumu Okada
  • 学会等名: International Conference of Synthetic Metals
  • 発表場所: Turku, Finland
  • 年月日: 2014-06-30 – 2014-07-05
• [学会発表] Energetics and Electronic Structures of CNT Encapsulating PAH Molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: Shota Kigure and Susumu Okada
  • 学会等名: International Conference of Synthetic Metals
  • 発表場所: Turku, Finland
  • 年月日: 2014-06-30 – 2014-07-05
• [産業財産権] 光電変換素子、太陽電池及び光センサー (2014)
  • 発明者名: 小鍋哲,岡田晋
  • 権利者名: 国立大学法人筑波大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2014-183372
  • 出願年月日: 2014-09-09