大規模Xeneヘテロ構造における電子輸送特性の第一原理研究

大规模Xene异质结构中电子传输特性的第一性原理研究

基本信息

批准号：
22K03491
负责人：
江上喜幸
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究課題では、Xeneと呼ばれる原子層状物質からなる大規模なヘテロ構造おける電子輸送特性について研究を進めている。当該年度においては、そのための基礎研究として、原子層状物質における構造計算と電子状態計算、およびキャリア移動度について、第一原理シミュレーションを用いて解析を行った。具体的な対象物質として、グラフェンをベースにシリコン原子をドープしたシリグラフェンと呼ばれる層状物質に注目し、その中でも高いキャリア移動を示すことが期待されているSiC_6シリグラフェンを対象とした。先行研究では、2次元SiC_6シートについての研究はされているが、ナノリボン化した場合の特性についてはあまり研究されていない。デバイス応用の側面から、有限サイズにおける特性を明らかにすることは重要であり、グラフェンと同様にナノリボン化によって特性が大きく変化することが期待される。ここでは、ナノリボン化する際のリボンの切り出し方向、エッジ構造やリボン幅に依存した幾何構造、電子状態変化について解析を行った。これらの結果をもとに、室温を仮定した音響フォノン散乱の影響下におけるキャリア移動度について評価を行った。その結果、2次元シートでは非常に高い値を示した電子移動度が、ユニットセルと同程度の幅にナノリボン化した系では1/20程度に低減していた。一方で、ホール移動度についてはは5倍程度にまで向上することが分かった。これは、ナノリボン化によって変形ポテンシャルや弾性係数が大きく影響を受けたことが要因と考えられる。また、zigzag方向に比べ、armchair方向の移動度の方が全体的に大きく、armchair方向にはグラフェン由来の炭素六員環が連なっており、非局在化したπ軌道が大きく拡がっているためと考えられる。今回得られた知見を元に、ヘテロ接合構造やヘテロ積層構造を取ることで、これらが電子輸送特性に与える影響について明らかにしていく。

在这个研究项目中，我们正在研究由称为 Xene 的原子层状材料制成的大规模异质结构的电子传输特性。本年度，作为该目的的基础研究，我们利用第一原理模拟进行了原子层状材料的结构计算、电子结构计算以及载流子迁移率分析。作为具体的目标材料，我们重点研究了一种称为硅石墨烯的层状材料，它是一种掺杂硅原子的石墨烯基材料，其中我们的目标是SiC_6硅石墨烯，它有望表现出高载流子迁移率。以往的研究主要集中在二维SiC_6片材上，但对纳米带的性能研究较少。从器件应用的角度来看，阐明有限尺寸下的性能非常重要，并且与石墨烯一样，预计当制成纳米带时性能将发生显着变化。在这里，我们分析了带的切割方向、取决于边缘结构和带宽度的几何结构，以及纳米带形成过程中电子态的变化。基于这些结果，我们评估了假设室温下声声子散射影响下的载流子迁移率。结果，在二维片中极高的电子迁移率在与晶胞相同宽度的纳米带系统中降低至约1/20。另一方面，发现空穴迁移率提高了约5倍。这被认为是由于纳米带的形成极大地影响了变形势和弹性模量。另外，扶手椅方向的迁移率一般比之字形方向大，这是因为源自石墨烯的六元碳环在扶手椅方向上连接，离域π轨道得以极大地扩展。基于这次获得的知识，我们将阐明异质结结构和异质叠层结构对电子传输性能的影响。