Theory of band engineering on van der Waals heterostructures of atomically thin materials

原子薄材料范德华异质结构的能带工程理论

基本信息

批准号：
20K03844
负责人：
苅宿俊風
金额：
$ 2.75万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電子バンド構造の人工制御は電子の運動や相互作用の制御につながりその特性を活かした新技術・新デバイスの開発を支える基礎となる。本研究はグラフェンに代表される原子層物質の人工積層によるバンド構造制御を実現するための理論研究である。特に現在注目を集めているナノスケールのモアレパターンを含むような非整合積層系を主題として研究を進めている。研究の方向性としては(i)積層構造による電子状態制御の理論の整備、(ii)物質設計、(iii)異方的バンド平坦化による新奇物性の探索、(iv)トポロジカル平坦バンドの探究、といったものとなっている。本年度は主に(ii)、(iii)に関連して前年度から引き続き角度非整合二層BC3の研究を発展させ論文として出版することができた。単層のBC3はグラフェンに類似したハニカム格子を持ち、そのバンド構造は３バレーの半導体となっている（バレー自由度は電子の運動量に関連した自由度である）。本研究ではBC3を角度非整合二層化することによりバレーに依存した電子状態の低次元化を引き起こせることを理論的に提案した。バレー依存性はバレー自由度の制御につながりバレートロニクスと呼ばれる新世代の電子デバイス応用の基礎となる可能性を秘めている。論文においては二層BC3の結晶構造の解析と電子状態のモデル化を第一原理計算に基づき行い、構築されたモデルを解析することによりバレー依存低次元化を示している。また同じく論文中では角度非整合系で相対角度が小さい極限では電子間相互作用が顕著になりそれによる新奇量子相が実現しうることも理論的に示した。一般に人工積層系の実験状況においては基盤と対象物質の相互作用や非整合性が重要な役割を果たすことがしばしばある。それを踏まえ、(i)に関連し一般の多層系（各層の構造や相関の相互作用が自由に設定される）の電子状態を数値解析するためのプログラムを開発した。

人工控制电子能带结构可以控制电子运动和相互作用，是支持开发利用其特性的新技术和器件的基础。该研究是通过人工堆叠石墨烯等原子层材料实现能带结构控制的理论研究。特别是，我们正在对非相干堆叠系统进行研究，其中包括目前引起关注的纳米级莫尔图案。研究方向包括（i）使用堆叠结构发展电子状态控制理论，（ii）材料设计，（iii）通过各向异性能带平坦化探索新颖的物理性质，（iv）拓扑平坦能带的探索，这是一些像这样。今年，主要与(ii)和(iii)相关，我们能够继续去年对角度不等两层BC3的研究，并以论文形式发表。单层BC3具有与石墨烯类似的蜂窝状晶格，其能带结构为三谷半导体（谷自由度是与电子动量相关的自由度）。在这项研究中，我们从理论上提出，通过将BC3形成两个角度不匹配的层，可以降低取决于谷的电子态的维数。谷依赖性导致对谷自由度的控制，并有可能成为称为谷电子学的新一代电子设备应用的基础。在本文中，我们基于第一性原理计算分析了双层BC3的晶体结构和电子态模型，并通过分析所构建的模型证明了与谷相关的维数减少。同一篇论文还从理论上证明，在相对角度较小的角度非相干系统的极限下，电子之间的相互作用变得显着，从而可以实现一种新颖的量子相。一般来说，在人工层状系统的实验情况中，基底和目标材料之间的相互作用和不一致性往往起着重要作用。基于此，我们开发了与（i）相关的程序，用于对一般多层系统的电子状态进行数值分析（每层的结构和相关性的相互作用可以自由设置）。