第一原理計算によるナノデバイスの電気伝導特性予測

使用第一原理计算预测纳米器件的电导率特性

• 批准号: 06J08864
• 负责人: 江上 喜幸
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Nagasaki University (2007)Osaka University (2006)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-06J08864/
• 关键词: 計算物理; 第一原理計算; 電気伝導特性

本研究は、第一原理に基づく高精度電気伝導特性計算によりナノ構造体における電気伝導特性の予測、解析を行うことで、次世代デバイス開発に貢献することを目的としている。今年度において、次世代デバイス材料として注目されているシリコンカーバイドの作製プロセスの初期構造であるC_2H_2分子が吸着したSi(001)表面について、STM像のシミュレーションを行った。具体的には、実験的なSTM観察において、幾何構造的に高い位置にあるC_2H_2分子像が低い位置にあるベアSiダイマーよりも暗く見えるという逆転現象を解明するために、トンネル電子がどのようなエネルギー準位や空間経路を介して伝導しているかという解析を行い、STM像が得られるメカニズムについて詳細に調べた。これにより、エネルギーバンド構造とSTSスペクトルの計算結果から、ベアSiダイマー上にSTM探針がある場合、ベアSiダイマーのπ-stateがトンネル電流に大きく寄与していることが分かった。これに対し、C_2H_2分子上に探針がある場合には、C_2H_2分子の吸着によってこのπ-stateが終端化され、またC_2H_2分子周りのstateがエネルギー的に低い位置にあるため、探針へ伝導するトンネル電流が大幅に減少し、実際の幾何構造と観察されるSTM像に逆転現象が生じるということが分かった。以上の研究により、実験的に観察されている特異な電気伝導特性に対し、第一原理に基づく高精度計算を行い、その現象が起こるメカニズムについて解析を行うことで、デバイス開発に対する知見を示した。また、ナノ構造体における電気伝導特性を精度良く効率的に計算するための新たな手法として、Lippmann-Schwinger方程式を用いた第一原理電気伝導特性計算手法を独自に開発した。これにより、従来用いていた計算手法に比べ約30倍程度の高速化を実現した。

This study is based on the first principles of high-precision electrical conductivity calculation, prediction and analysis of electrical conductivity characteristics in structures, and contribution to the development of next generation electrical conductivity. In this year's first and second generation of silicon materials, the initial structure of the silicon substrate was studied. The adsorption of C_2H_2 molecules on Si(001) surface was studied. Specific STM observation, geometric structure, high middle position, C_2H_2 molecular image, low middle position, dark view, inverse phenomenon, solution, electron generation, quasi-position, spatial path, transmission, analysis, STM image, detailed adjustment. In this case, the π-state of the STM probe on the Si substrate is larger than the current on the Si substrate. In this case, C_2H_2 molecule adsorption phase π-state termination, C_2H_2 molecular cycle state termination, probe conduction phase current greatly reduced, actual geometric structure and observation of image inversion phenomenon caused by STM. The above research focuses on the investigation of specific electrical conductivity characteristics, first-principle calculation, high-precision calculation, and the occurrence of phenomena. A new method for calculating the electrical conductivity of structures with good accuracy is developed by using the Lippmann-Schwinger equation. The speed of calculation is about 30 times faster than that of the original calculation method.

项目成果

Relationship between Geometric Structure and Conductance Oscillation in Nanowires

纳米线几何结构与电导振荡之间的关系

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Physics: Condensed Matter 19(36)
• 作者: Yoshiyuki Egami;Shuichiro Aiba;Tomoya Ono;and Kikuji Hirose
• 通讯作者: and Kikuji Hirose

First-Principles Electron-Conduction Properties Calculation for Nanostructures

纳米结构电子传导性能第一原理计算

• 发表时间: 2007
• 作者: Yoshiyuki;Egami・Tomoya;Ono・Kikuji;Hirose
• 通讯作者: Hirose

C_2H_2分子吸着Si(001)表面におけるSTM像の理論的解析

Si(001)表面吸附C_2H_2分子的STM图像的理论分析

• 发表时间: 2008
• 作者: Koji;Watanabe;Yoshiyuki Egami;江上 喜幸
• 通讯作者: 江上 喜幸

Theoretical Study on the Electron Conduction Properties for Nanostructures Suspended between Semi-infinite Electrodes

半无限电极间悬浮纳米结构电子传导性能的理论研究

• 发表时间: 2007
• 作者: Koji;Watanabe;Yoshiyuki Egami;江上 喜幸;Yoshiyuki Egami;Yoshiyuki Egami
• 通讯作者: Yoshiyuki Egami