大規模電子構造計算によるナノ金属系の変形プロセスと電気伝導

基于大规模电子结构计算的纳米金属体系变形过程和导电

基本信息

批准号：
18740228
负责人：
星健夫
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Tottori University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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

项目摘要

ナノ金属系、とくに数nm系、の変形プロセスと電気伝導は、表面(最外殻)領域と内側領域との原子数が比較できる程度となり、バルク系や単原子ワイヤ系と全くことなる多彩な構造と物性を示す。その理解と制御には、電子構造計算に基づく動的(分子動力学)計算が必須である。本研究の本年度の主な研究成果として、多層へリカル金ナノワイヤの形成プロセスについて、2段階モデルを提案し、スレーターコスター型ハミルトニアンによる電子構造を用いた分子動力学シミュレーションによって確認した。多層ヘリカル金ナノワイヤでは、「マジックナンバー」と呼ばれる数で特徴付けられる、限られた多層構造だけが観測されており、その理論的解明は未解決となっていた。我々は、(i) 最外シェルが分離し(内側シェル原子との結合が弱くなり)、(ii) 最外シェル(ワイヤ表面)において原子列スリップが起こり2次元hexagonal 構造が出現する、という2段階モデルを提案し、この理論モデルと動的(電子構造を用いた分子動力学)計算により、マジックナンバーが系統的に理解された。電子構造の解析から、dバンドの大きい5d金属系に特有の現象であることが示された。さらに、10nm以上の長さをもつ系では、原子の内側原子が最外殻に移動する現象がみられ、ヘリカル構造の起点となることを示した。また、電気伝導計算としては、非平衡グリーン関数理論における固有チャネル分解の一般化を用いて、ナノ金属系における減衰伝導モードおよび、d軌道成分系の振る舞いを解析した。本研究の意義として、大規模電子構造計算を用いることで、構造と電子物性とを同時に(同じ理論基盤において)議論することができるようになったことがあげられ、ナノ系における種々の実験と相補的に用いることにより、ナノ科学の発展に大きな寄与をするものと期待できる。

可以将纳米系统（尤其是多个NM系统）的变形过程和电导率与表面（最外壳）区域和内部区域的原子数量进行比较，显示了各种各样的结构和物理特性，这些结构和物理性能与大型或单子线系完全不同。基于电子结构计算的动态（分子动力学）计算对于理解和控制这一点至关重要。作为今年的主要研究结果，我们提出了一个两阶段模型，用于多层螺旋金纳米线的形成过程，并通过使用Slater Coster-Coster-type Hamiltonians的电子结构通过分子动力学模拟来证实它。在多层螺旋金纳米线中，仅观察到以“魔术数”为特征的数量有限的多层结构，并且尚未解决理论上的阐明。我们提出了一个两阶段模型，其中（i）最外层的壳分离（与内壳原子的键变为弱），（ii）原子序列滑移发生在最外面的壳（电线表面）和二维六边形结构。这种理论模型和动态（使用电子结构的分子动力学）计算允许系统理解魔术数。对电子结构的分析表明，这种现象是具有较大D波段的5D金属系统所独有的。此外，在长度为10 nm或更多的系统中，观察到原子内部原子移至最外壳的现象，表明它们是螺旋结构的起点。此外，对于电导计算，使用非均衡性绿色功能理论中特征洋洋洋流分解的概括用于分析纳米系统中D-orbital成分系统的阻尼传导模式和行为。这项研究的意义在于，通过使用大规模的电子结构计算，可以同时讨论结构和电子特性（以相同的理论为基础），以及通过纳米系统中的各种实验以互补形式使用它们，可以预料，它们将对纳米能力的发展产生很大的贡献。