2021 Fiscal Year Annual Research Report
Simulation of coupled electron-phonon transport in two-dimensional materials and heterostructures
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20H00250
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
森 伸也 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70239614)
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2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 省電力デバイス / トンネルトランジスタ / 熱電変換デバイス / 2次元物質 / 量子輸送シミュレーション / バンド間トンネル / 電子 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，２次元物質ヘテロ構造の電子・フォノン連成シミュレータを実現し，デバイス開発の指針を早期に得る環境を構築するこを目的にしている．フォノン輸送シミュレータに関して，本年度は，フォノン間の相互作用を導入したプログラムを開発した．電子輸送シミュレータに関しては，等価モデルを用いてバンド間トンネルを記述する際に必要な輸送窓幅の大きさについて調べた．
フォノン輸送には，フォノン間の相互作用が大きな影響を及ぼすと考えられている．そこで，1元モデルのフォノン輸送解析プログラムに，フォノン間の相互作用を導入した．フォノン間の相互作用は，原子間のポテンシャルの非調和項から生じるが，本年度は，3次の非調和項を導入したプログラムを作成した．同様のプログラム開発の結果が既に報告されているが，そこでは，フォノン間の相互作用に関する自己エネルギーの非対角成分を，短い距離でカットオフした近似が用いられている．そこで，はじめに，カットオフ距離と数値誤差との関係を調べた．その結果，先行研究で行われているような短いカットオフ距離では，十分な精度が保証されないことが分かった．
電子輸送シミュレーションに関しては，計算量を削減するために等価モデルを用いる予定である．等価モデルは，原子論ハミルトニアンから，輸送に関与するエネルギー範囲すなわち輸送窓幅のみを記述する模型を構築する手法である．本年度，バンド間トンネルを記述する際に必要な輸送窓幅の大きさについて調べた．直接遷移型半導体の場合，バンド間トンネルに直接関与するエネルギー範囲，すなわち，価電子帯頂上付近から伝導帯底付近までを記述する等価モデルを構築すれば十分は精度が得られることが分かった．しかし，間接遷移型半導体の場合，より広いエネルギー範囲を記述する等価モデルを構築する必要があることが分かった．
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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
本研究では，２次元物質ヘテロ構造の電子・フォノン連成シミュレータを実現し，デバイス開発の指針を早期に得る環境を構築するこを目的にしている．フォノン輸送シミュレータに関して，本年度は，当初計画では令和5年度以降に実行予定であった，フォノン間相互作用の導入をしたフォノン輸送計算プログラムの開発に着手した．そして，当初予定していた連成シュミュレーションプログラムの開発は未着手である．当初の計画と順番が前後している点を除けば，研究内容的には，概ね計画通りである．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，当初の予定にしたがって，電子とフォノンの連成解析プログラムのプロトタイプを開発する．そこでは，1次元モデルの範囲において，電子とフォノンの非平衡グリーン関数輸送方程式を連立して解くプログラムの開発を行う．その際，計算量を削減する手法（R行列法，再帰グリーン関数法，1次元等価モデルなど）の性能およ数値精度を評価し，最適な計算手法の選択を行う．その後，新たに開発した1次元等価モデルを，2次元等価モデルへ拡張し，種々の2次元物質のバンド端付近の電子状態を必要な精度で再現する2次格子最近接モデルを構築する．最後に，1次元プログラムを2次元格子モデルに拡張し，単層の2次元物質における電子とフォノンの連成解析プログラムのプロトタイプを開発する．その後は，単一2次元物質における電子・フォノン連成解析，2次元物質ヘテロ構造における電子・フォノン連成解析，2次元物質ヘテロ構造トランジスタの性能予測，2次元物質ヘテロ構造熱電変換デバイスの性能予測を行う．
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