大規模Xeneヘテロ構造における電子輸送特性の第一原理研究

本研究課題では、Xeneと呼ばれる原子層状物質からなる大規模なヘテロ構造おける電子輸送特性について研究を進めている。当該年度においては、そのための基礎研究として、原子層状物質における構造計算と電子状態計算、およびキャリア移動度について、第一原理シミュレーションを用いて解析を行った。具体的な対象物質として、グラフェンをベースにシリコン原子をドープしたシリグラフェンと呼ばれる層状物質に注目し、その中でも高いキャリア移動を示すことが期待されているSiC_6シリグラフェンを対象とした。先行研究では、2次元SiC_6シートについての研究はされているが、ナノリボン化した場合の特性についてはあまり研究されていない。デバイス応用の側面から、有限サイズにおける特性を明らかにすることは重要であり、グラフェンと同様にナノリボン化によって特性が大きく変化することが期待される。ここでは、ナノリボン化する際のリボンの切り出し方向、エッジ構造やリボン幅に依存した幾何構造、電子状態変化について解析を行った。これらの結果をもとに、室温を仮定した音響フォノン散乱の影響下におけるキャリア移動度について評価を行った。その結果、2次元シートでは非常に高い値を示した電子移動度が、ユニットセルと同程度の幅にナノリボン化した系では1/20程度に低減していた。一方で、ホール移動度についてはは5倍程度にまで向上することが分かった。これは、ナノリボン化によって変形ポテンシャルや弾性係数が大きく影響を受けたことが要因と考えられる。また、zigzag方向に比べ、armchair方向の移動度の方が全体的に大きく、armchair方向にはグラフェン由来の炭素六員環が連なっており、非局在化したπ軌道が大きく拡がっているためと考えられる。今回得られた知見を元に、ヘテロ接合構造やヘテロ積層構造を取ることで、これらが電子輸送特性に与える影響について明らかにしていく。

本研究課題では、Xeneと呼ばれる原子層状物質からなる大規模なヘテロ構造おける電子輸送特性について研究を進めている。当該年度においては、そのための基礎研究として、原子層状物質における構造計算と電子状態計算、およびキャリア移動度について、第一原理シミュレーションを用いて解析を行った。具体的な対象物質として、グラフェンをベースにシリコン原子をドープしたシリグラフェンと呼ばれる層状物質に注目し、その中でも高いキャリア移動を示すことが期待されているSiC_6シリグラフェンを対象とした。先行研究では、2次元SiC_6シートについての研究はされているが、ナノリボン化した場合の特性についてはあまり研究されていない。デバイス応用の側面から、有限サイズにおける特性を明らかにすることは重要であり、グラフェンと同様にナノリボン化によって特性が大きく変化することが期待される。ここでは、ナノリボン化する際のリボンの切り出し方向、エッジ構造やリボン幅に依存した幾何構造、電子状態変化について解析を行った。これらの結果をもとに、室温を仮定した音響フォノン散乱の影響下におけるキャリア移動度について評価を行った。その結果、2次元シートでは非常に高い値を示した電子移動度が、ユニットセルと同程度の幅にナノリボン化した系では1/20程度に低減していた。一方で、ホール移動度についてはは5倍程度にまで向上することが分かった。これは、ナノリボン化によって変形ポテンシャルや弾性係数が大きく影響を受けたことが要因と考えられる。また、zigzag方向に比べ、armchair方向の移動度の方が全体的に大きく、armchair方向にはグラフェン由来の炭素六員環が連なっており、非局在化したπ軌道が大きく拡がっているためと考えられる。今回得られた知見を元に、ヘテロ接合構造やヘテロ積層構造を取ることで、これらが電子輸送特性に与える影響について明らかにしていく。