First-principles design of spin conversion materials by nanostructure prediction

通过纳米结构预测第一性原理设计自旋转换材料

基本信息

批准号：
22K04862
负责人：
石井史之
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Kanazawa 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

本研究の目的は理論・計算科学的な手法によって電子のもつ磁気的自由度であるスピンの物質中における秩序状態（構造）を活かして, 熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり，光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率としての性能が高い物質，ナノマテリアルをデザインすることである。本研究では電子スピンの相対論効果やスピン秩序によって出現する物質内部の（仮想）磁場を活用した新しいエネルギー変換ナノマテリアルを, スーパーコンピュータを用いて自動計算・網羅計算手法によってデザインすることをめざしている。今年度の研究実績は主に次の2点である。(1) スピン軌道相互作用が強いビスマスを含む系で極性半導体として知られるBiTeIについて、第一原理計算手法と進化論的手法を用いた結晶構造探索手法によって大気圧下の準安定結晶構造を複数発見し、バンドギャップが0.86eVと大きなトポロジカル絶縁体相を発見した。(2)異常ホール効果および異常ネルンスト効果を効率的に計算する手法開発をおこない、成果をH. Sawahata, N. Yamaguchi, S. Minami, and F. Ishii, First-principles calculation of anomalous Hall and Nernst conductivity by local Berry phase, Phys. Rev. B, 107, 024404(2023)として出版した。この手法および、計算自動化スクリプトの作成によって、二次元強磁性体のハイスループット計算を実施した。約1000種の二次元物質について計算を実施し、Chern絶縁体および、大きな異常ネルンスト係数を示す物質を発見した。

本研究的目的是利用材料中自旋的有序态（结构），即电子的磁性自由度，利用理论和计算科学方法将热能转化为电能，将光能转化为电能。目标是设计纳米材料，即具有高性能能量转换效率的物质。在这项研究中，我们的目标是利用超级计算机的自动计算和详尽的计算方法，利用由于电子自旋和自旋顺序的相对论效应而出现的材料内部的（虚拟）磁场，设计一种新型能量转换纳米材料。是。今年的研究成果主要集中在以下两点。（1）对于BiTeI这种具有强自旋轨道相互作用的被称为极性半导体的体系，他们利用第一性原理计算方法和进化方法的晶体结构搜索方法发现了大气压下的多种亚稳态晶体结构。具有 0.86 eV 大带隙的拓扑绝缘体相。（2）开发一种高效计算反常霍尔效应和反常能斯特电导率的方法，并将结果发表在H. Sawahata、N. Yamaguchi、S. Minami和F. Ishii《反常霍尔效应和反常能斯特电导率的第一原理计算》上出版为当地贝里阶段，Phys Rev. B, 107, 024404 (2023)。通过使用这种方法并创建计算自动化脚本，我们对二维铁磁体进行了高通量计算。我们对大约 1,000 种二维材料进行了计算，发现了陈绝缘体和表现出较大反常能斯特系数的材料。