2016 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical calculations on the effects of local high electric fields at interface atomic/molecular layers
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15H03561
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
渡邉 聡 東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (00292772)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南谷 英美 東京大学, 大学院工学系研究科, 講師 (00457003)
安藤 康伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 機能材料コンピューテーショナルデザイン研究センター, 研究員 (00715039)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 計算物理 / ナノ材料 / 電界効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
情報デバイスやエネルギー変換デバイスの動作の鍵を握る絶縁体層－電極界面付近の数原子・数分子層における印加電圧による状態変化を主に第一原理計算を用いて解析し、平成28年度は以下の結果を得た。
１）有機分子層：前年度まで検討したα,ω-DH6T分子に加え、ペンタセン分子及びハロゲン化アルキル-セキシチオフェン分子についても計算を行い、結果を比較した。DH6Tとハロゲン化アルキル-セキシチオフェン分子との比較から、電場応答が側鎖部分で生じていることがわかった。また、これら2分子に加え、ペンタセンでは電場印加に伴う状態密度変化が小さいことがわかった。
２）原子層物質：Ca原子をインターカレートした多層グラフェンであるC6CaC6の超伝導特性に対する電場効果を第一原理計算により議論した。印加電場によるエネルギーバンド構造の変化が限定的であり、超伝導特性への影響はほとんどないことがわかった。また、ゲルマネンおよびスタネンについて、デバイスに適した基板材料を探索した上で、候補材料上のゲルマネン・スタネンの電子状態を解析した。強結合モデルハミルトニアンを用いた考察の結果、基板の影響を擬電場の影響として記述できることを見出した。
３）抵抗変化素子等の状態スイッチング素子：金－リン酸リチウム接合系におけるリン酸リチウム内のリチウムイオン分布に対する印加電圧の影響を、欠陥生成エネルギーの第一原理計算結果と連続体模型を用いて解析した。イオン分布の顕著な変化が見られる領域はnmスケールに留まることを示唆する予備的な結果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１）有機分子層については、分子種の違いが印加電場効果に与える影響を解析し、分子種による振舞いの違いとその原因について新たな知見を得ることができた。２）原子層物質については、グラフェン関連物質について、様々な角度から印加電場の効果を解析できた他、基板による原子層物質の電子状態変化を擬電場の効果として記述できることを見出した。３）抵抗変化素子については、抵抗変化とは若干異なるがイオン移動によるスイッチングが生じる電極－リン酸リチウム－電極構造に対する解析において、印加電圧によるイオン分布変化の解析に一定の進展が得られた。
以上の成果が得られたことから、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
有機分子層および原子層物質については、これまでの計算結果を整理・解析し、包括的な理解を得ることを目指す。抵抗変化等の状態スイッチング素子および誘電体層については、やや大規模な系でのイオン移動の考慮が重要になることに鑑み、印加電場によるイオン挙動変化の第一原理計算結果を基に、機械学習等の手法により簡便な形でイオン移動挙動を記述する方法を開発することも今後の研究に含めていく。
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