第一原理計算によるグラフェンを超える二次元材料の研究

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平成27年度は、前年度までに進展のあったMoS2型のケイ素（Si）とゲルマニウム（Ge）の二次元同素体を積み重ねた多層構造を分子動力学法を用いて検討し、これらの多層構造の温度上昇に対する安定性を調べた。その結果、単層では温度上昇に対して非常に不安定であるが、層数の増加に伴い安定に存在できる温度域が拡大することが明らかとなった。この成果については、前年度に得られた成果と一緒にまとめ、現在、投稿論文を執筆中である。研究代表者は、シリセンやゲルマネンと組み合わせて使用すると、絶縁性基板、あるいは、保護膜として働くことが期待される六方晶窒化ホウ素（hBN）単原子層を二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)薄膜表面を窒化、加熱処理することで実験的に形成しているが、このZrB2薄膜上hBNを基板としてSiの蒸着によりシリセンを形成する実験が進展を見せたため、この系に関する第一原理電子状態計算を行い、実験結果と比較した。実験ではhBNの格子5に対してZrB2の格子4が対応するという大きな周期をもつモアレ構造が走査トンネル顕微鏡により観察されたため、この系について計算するには、非常に大きな、沢山の原子を含むセルを用いる必要があった。計算の結果、hBN層とZrB2の界面は、Zr終端の場合の方がB終端と比べて安定であること、hBN層とZrB2の間の距離は平均して0.24nmであること、最も距離が短いところと長いところの差が0.1nmあり、原子レベルで平坦とは言えず、波打っていることなどが明らかとなった。この計算結果と実験結果をまとめ、現在、投稿論文を執筆中である。研究代表者と研究分担者がタッグを組んで第一原理電子状態計算を用いた研究を行うことで、新奇二次元材料に関する実験結果の理解が格段に進んだ。