グラフェンおよび関連ナノ物質の量子輸送現象に関する理論的研究

一原子層の炭素原子膜であるグラフェンの電子状態は、システムサイズやエッジの形状に大きな影響を受ける。特に、系のサイズがナノスケ-ルなると電子物性はバルクのものとは大きく異なることを受け入れ研究者のグループが理論的に解明してきた。本研究では、グラフェンにおけるナノスケール・エッジ効果に着目し、電子状態への量子多体効果を理論的に解明を進める。前年度、ナノグラフェンのエッジに現れる磁性状態に関して、配置間相互作用(Cl}の方法を用いて、電荷およびスピン励起エネルギースペクトラムを解析した。その結果、ホールドーピングに対して、電荷励起ギャップ、スピン励起ギャップ共に、急激に減少することを見出した。そこで本年度は、密度汎関数理論に基づく局所スピン密度近似による第一原理計算を、グラフェンナノリボンに適用し、さらなる解析を進めた。ジグザグナノリボンに、ホウ素終端を施すことで、系にホールが導入されトータルの磁化が有限になる得る強磁性状態を見いだした。さらに、この系はフェルミ準位近傍において線形分散を保持し、金属的になることもを明らかにした。この結果は、ナノグラフェンにおける金属強磁性体を設計する指針を与えるものである。さらに、グラフェンの他に、半導体原子膜であるBC3におけるナノスケール・エッジ効果についても、理論解析を実施した。BC3ナノリボンの電子状態を、第一原理計算によって行ない、エッジでの最安定構造を系の芳香族性の観点から明らかにした。また、リボン幅の増加に対してエネルギーギャップが減少する特異な振る舞いを指摘した。

一原子層の炭素原子膜であるグラフェンの電子状態は、システムサイズやエッジの形状に大きな影響を受ける。特に、系のサイズがナノスケ-ルなると電子物性はバルクのものとは大きく異なることを受け入れ研究者のグループが理論的に解明してきた。本研究では、グラフェンにおけるナノスケール・エッジ効果に着目し、電子状態への量子多体効果を理論的に解明を進める。前年度、ナノグラフェンのエッジに現れる磁性状態に関して、配置間相互作用(Cl}の方法を用いて、電荷およびスピン励起エネルギースペクトラムを解析した。その結果、ホールドーピングに対して、電荷励起ギャップ、スピン励起ギャップ共に、急激に減少することを見出した。そこで本年度は、密度汎関数理論に基づく局所スピン密度近似による第一原理計算を、グラフェンナノリボンに適用し、さらなる解析を進めた。ジグザグナノリボンに、ホウ素終端を施すことで、系にホールが導入されトータルの磁化が有限になる得る強磁性状態を見いだした。さらに、この系はフェルミ準位近傍において線形分散を保持し、金属的になることもを明らかにした。この結果は、ナノグラフェンにおける金属強磁性体を設計する指針を与えるものである。さらに、グラフェンの他に、半導体原子膜であるBC3におけるナノスケール・エッジ効果についても、理論解析を実施した。BC3ナノリボンの電子状態を、第一原理計算によって行ない、エッジでの最安定構造を系の芳香族性の観点から明らかにした。また、リボン幅の増加に対してエネルギーギャップが減少する特異な振る舞いを指摘した。