新規化学反応解析手法に基づいたダイヤモンド半導体の材料設計

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ダイヤモンドは高硬度やワイドバンドギャップ等の優れた特性を持つため、シリコンに代わる電子デバイス材料として期待されている。現在Chemical Vapor Deposition (CVD)によってダイヤモンド薄膜が作成されているが、高品位のダイヤモンド薄膜を作成するためには結晶成長機構の理解が必要不可欠である。本研究では、高精度の第一原理計算であるCASSCF法と摂動論(MRMP2)を用いて、CVDダイヤモンドの成長機構を解析した。化学反応が起こる部分を第一原理量子化学計算、周囲の結晶格子を分子力学法で扱うQMMM法を用いて安定構造と遷移状態の構造を求めた。CVD成長の原料ガスの水素およびメチルラジカルとダイヤモンド(100)面との反応を解析し、各素反応の活性化エネルギーを明らにした。また、第一原理計算から求めた反応の活性化エネルギーを用いて、モンテカルロシミュレーションを行い、CVDによる結晶成長機構の解析を行った。シリコンカーバイド(SiC)はダイヤモンドと同様にシリコンを超える性能を持つ半導体材料として利用されており、その表面化学に関心が集まっている。そこでCASSCF法を用いてSiC表面の構造および化学反応を解析した。これによってSiC(100)のSi終端面のダイマー構造がダイラジカルになることを明らかにした。また、シリコンとダイヤモンドの100面との比較から、表面ダイマーのπ結合が反応性に与える影響を明かにした。