表面ナノ構造での量子論に基づく新機能の探索

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550021
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 押山 淳 筑波大学, 物理学系, 教授 (80143361)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大谷 実 筑波大学, 物理学系, 助手 (50334040)
• Keywords: ナノサイエンス / 密度汎関数法 / 第一原理分子動力学法 / シリコン / 窒化物半導体 / ナノチューブ / ナノワイヤー

Research Abstract

15年度の成果は、(1)今日のテクノロジーを支える物質群に対する現象の解明・予測、(2)明日のテクノロジーを支えるナノ物質での新物性・新機能の予測、の二つに大別できる。(1)では、青色レーザーの材料として脚光を浴びている窒化物半導体に着目し、InGaN系のバンドギャップを現在最も信頼性の高い手法(FLAPW-GW近似)によって計算した。その結果InNのバンドギャップは従来信じられてきた1.8eVではなく、1eV以下であることが判明し、窒化物半導体で赤外から紫外までの波長領域をカバーする可能性を示した。また良質なGaN薄膜成長のための基板としてZrB2の可能性を理論的に吟味し、Zr面上に窒素を吸着して成長したGaN薄膜の良質性を見出した。更に(1)の成果として、SiO2のフェムト秒レーザー照射によるSiナノ結晶創出の可能性を見出した。融点以下でも2種類の構成元素の拡散係数の違いにより、ボンドの組換えが生じる可能性を見出した。電子励起下での第一原理新分子動力学法の開発による成果である。(2)の範疇では、水素で被覆されたSi(111)面上の水素原子を制御良く取り除くと、電子状態の制御によりSi表面上にナノ磁石が構成されること、ジグザグ端をもつ炭素ナノチューブでは、その径に依存してバラエティに富んだ磁気的性質が出現すること、を理論的に予測した。さらに昨年度開発された、原子(ナノ)ワイヤーのコンダクタンス計算手法を用いて、SiとAl原子ワイヤーのコンダクタンスが計算された。特に原子ワイヤー伸展中に、細線の原子間隔が増加する場合に、コンダクタンスが増加する現象が理論的に見出された。これは、s、p軌道から成る物質群に起こり得る新奇な特徴であることが解明された。また、2つの半導体炭素ナノチューブを入れ子にした二重ナノチューブでは、チューブの曲率の比により、半導体が金属化することが計算で見出された。

Research Products

• [Publications] M.Otani, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Theoretical Study on Stable Structures and Diffusion Mechanisms of B in SiO_2"Applied Surface Science. 216. 430-433 (2003)
• [Publications] S.Okada, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Magnetic Ordering of Dangling Bond Networks on Hydrogen Deposited Si(111) Surfaces"Physical Review Letters. 90. 026803 (2003)
• [Publications] M.Otani, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Mechanisms of Boron Diffusion in SiO_2"Physical Review Letters. 90. 075901 (2003)
• [Publications] S.Okada, A.Oshiyama: "Nanoscale Ferromagnets : Carbon Nanotubes with Finite Length"Journal of the Physical Society of Japan. 72. 1510-1515 (2003)
• [Publications] S.Okada, M.Otani, A.Oshiyama: "Electron-State Control of Carbon Nanotubes by Space and Encapsulated Fullerenes"Physical Review B. 67. 205411 (2003)
• [Publications] X.-R Chen, A.Oshiyama, S.Okada: "First-Principles Calculation for Scanning-Tunneling-Microscopy Images of Kr Adsorbed on a Monolayer Graphite Surface"Physical Review B. 67. 033408 (2003)
• [Publications] J-I.Iwata, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "First-Principles Studies of GaN Epilayer on ZrB2 Substrates"phys.stat.solid. 0. 2482-2485 (2003)
• [Publications] M.Usuda, N.Hamada, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Band-Gaps of Ga_<1-x>In_xN by All-Electron GWA Calculation"phys.stat.solid. 0. 2733-2736 (2003)
• [Publications] M.Otani, S.Okada, A.Oshiyama: "Energetics and Electronic Structures of One-dimensional Fullerene Chains Encapsulated in Zigzag Nanotubes"Physical Review B. 68. 125424 (2003)
• [Publications] J-I.Iwata, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "First-Principles Studies of GaN Epilayer on Lattice Matched ZrB_2 Substrates"Applied Physics Letters. 83. 2560-2562 (2003)
• [Publications] M.Otani, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Charge-State Dependent Boron Diffusion in SiO_2"Physica B. 340-342. 949-952 (2003)
• [Publications] M.Otani, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "First-Principles Calculations of Boron-related Defects in SiO_2"Physical Review B. 68. 184112 (2003)
• [Publications] M.Boero, A.Oshiyama, P.L.Silvestrelli: "E' Centers in α Quartz in the Absence of Oxygen Vacancies : A First-Principles Molecular Dynamics Study"Physical Review Letters. 91. 206401 (2003)
• [Publications] S.Okada, A.Oshiyama: "Curvature-Induced Metallization of Double-Walled Semiconducting Zigzag Carbon Nanotubes"Physical Review Letters. 91. 216801 (2003)
• [Publications] M.Usuda, N.Hamada, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Band Structures of Wurtzite InN and Ga_<1-x>In_xN by All-Electron GW Calculation"Japanese Journal of Applied Physics. 43. L407-L410 (2004)
• [Publications] S.Okada, A.Oshiyama: "Electronic Structure of Metallic Rhombohedral C60 Polymers"Physical Review. 68. 235402 (2003)
• [Publications] S.Okano, K.Shiraishi, A.Oshiyama: "Density Functional Calculations and Eigenchannel Analyses for Electron Transport in Al and Si Atomic Wires"Physical Review B. 69. 045401 (2004)