2. 物質生命研究部門
2.3. 計算物性 プ
ン バ
教授 石賢 准教授 岡 晋
教 岩 潤一 研究員 木祥
2. 概 要
計算物性 大 わ ０ 大 中心 研究 推逭 第／
新 い計算手法 開 第０ 物質 料 機能 物性解明 新 物質
目指 研究 あ
3. 研 究 成 果
／ 間相互作用 電子状態変調
電子状態 構 あ 間 相互作用 わ 変調 い
知 い わ 線形 い 通常 方物線的 散
う 自然界 程 存 菱面体晶 積 構造 薄膜
底状態 面 い 磁性状態 実現 明 [ ] 磁
性状態 起源 い 生 特異 端局 状態 あ 状態 等価 状態 菱面
体晶 表面 敱い 生 物 あ 結果 炭素 ワ 端
入 磁性 現 必須条件 考え い 完全 ワ
い 磁性状態 現 初 理論的 予言 場 磁性状態 制
御 含 応用研究 繋 期
－67 －
図 菱面体晶 薄膜表面 け 磁性状態の分極 ン分布
一方 誘起 新 構造 折 畳 自身 複 構造体 新
複 構造体 構造 数 端 い 各 端間
新 結 形 容易 実現 構造 あ 構造 用い い
必然的 構造 あ 々 示 折 畳 強結 近似計算 構造
電子物性 や 立 大 異 新 電子系 明 わ
自身 電子 相互作用 面間 相 配向 応 金属 半 体 転移 示 金属的
場 近傍 電子系 通常 金属 様 性質 明
図 ：折 畳ま た ンの構造
０ 絶縁体 電子構造変調
い わ 絶縁体 複 構造 質 あ
絶縁体 電子 響 注目 い 々
滑 ０ 元構造 方晶窒 素 用い 絶縁体
着 近傍 電子状態 う 変調 調
結果 線形 間 相互作用 程 あ
や 形 示 形 大
相 配向 強 依存 〜 [ ] 異種原子
性 電荷 偏 生 偏 原子 局所
変調 誘起 あ 原子配列 原子配列 間 結晶敁
性 課 い 現実 酸 物絶縁体 場 変調 空間
的 誘起 結果 限 状態密 通常
金属的性質 予想
－68 －
図 の ンのバン ップの 軸方向の相対配向 軸方向の距離依存性
１ 着原子 電子状態 響
原子 着 表面電子物性変調 明 真空蒸着 配向性熱
解 ＆ ＇表面 電子状態 極 温走査 微鏡 用い 走査 計測 細 調 結果 金微粒子 ０〜２ 程 幅 持 ／〜０原子 程
表面 堆積 金微粒子 極近傍 炭素 い 通常
表面 現 い鋭い電子状態密 近傍 観測 非弾性
局所 構造計測や第一原理計算結果 電子状態密 炭素 混 軌遈 形
現 炭素 非結 電子準 あ 属 炭素 結
共役系 崩 炭素 非結 電子準 近傍 現 考え 結果
あ 種 金属原子 着 近傍 電子状態 制御 能 あ
示 あ
１ 超 速並列計算機 実空間密 汎関数法 開 応用
密 汎関数法 第一原理計算 物理 学 料開 現場 い 非常 要
い 研究 世代超並列計算機 効活用 大規模 扱え 実
空間密 汎関数 ＆ＰＱＢＤＲ＇ 開 行 開 行 実 原子 越え Ｑｉ
ワ 系 電子構造計算 計算 学者 連携 見直 性
能測 様々 角 研究 逭 い
－69 － ２ 書 －消去耐性 強い 型 設計指針 案
型 原子 空間 あ 窒 膜中 電荷 注入
機能 現 い 型 速 能 世代 候補 期
い 原子 電荷＆ ＇ 電＆攡電＇ 書 ＆消去＇ 行う 窒
膜中 う 振 舞い 全 明 あ 述 問題 解決 第一原理計
算 用い 原子 型 窒 中 書 消去＆電荷 電
攡電＇ う 振 舞う 原子 細 明 得
結果 以 通 あ 窒 中 酸素 混入 生 書
消去 構造 元 戻 傾向 あ ＆ 逆的構造変 起 傾向 あ ＇ 示 ＆
＇ 一方 窒 中 窒素空孔 起因 書 消去 行 構造 元 戻
酸素混入 機能 劣 引 起 窒素空孔 機能 劣 引
起 い 意味 窒素空孔 書 消去 引 起 構造変
効果 伴う自 的 称性 破 あ 原理的 逆的 あ 示
書込
消去
始状態 終状態
充電状態 充電状態
O O
O
O
O Si
Si
Si
Si Si
1８SiN中 書 －消去 大 構造変
３ 窒 物半 体 擬立方晶近似 妥当性 理論的研究
窒 物半 体 擬立方結晶近似 用い 設計 多い 研究 第
一原理 子論 擬立方晶近似 妥当性 い 議論 結果 鉱構造 窒 物半 体 い 擬立方晶近似 大 破綻 示
４ 元 異 構造間 現象 新 い物理 像 開拓
縮 動 電子数 減少 旓 柄 積
回路 構 性能 性 少数個 電子 動 保 いう 大 課題 生
－70 －
あ 意味 い 言い え 数個 電子 動 将来 い
個々 電子 動力学 踏 え 少数個 電子 精密制御技術 要求 課題
旓代 大 課題 一 考え 研究 当 課題 考え 要 領域
動的電子物性 特 理論実験両面 検討 体的 将来 あ わ 諸問題
包 系 構造 電子注入過程 実験 理論両面 検討
系 い 電子 構造 転 絶縁膜 注入
０ 元電子 - 子 結 系 考え 系 考え ０ 元電子
波動関数 広 い ． 元系 子 起 い ０ 元電子
子 直 局 能 ＆ 2＇ 々 ０ 元電子 Si
電子注入 従来 い 直接 領域 温 依存 示 見出 ( 3 Y. Sakurai
JJAP 2010 等) 特異 温 依存性 理解 現旓 以 う 大胆 仮 必要
い 々 現 用い い 大胆 仮 以 通 あ 十 子 真 局 あ
い値以 確率 波動関数 直接 寄 う 確率 限
Sじ ッ
次元電子ガ
図2:電子ガ 子 ッ への電荷注入の模式図 ッ の真 局在 ン き
図3: 次元電子ガ - 子 ッ 結合系の け 変位電流の温度依存性
－71 －
存 いう仮 必要 課題 あ 確率 限 実験 電
掃引 依存 実験的 示 い 確率 限 物理的起源 電子
明 旓 当 物理的起源 旓代 使わ 電子
う 要求 考察 予 あ
接触 新 い物理 案
金属 半 体 接触作製 様々 や 子 効果等 物性実験 い
い技術 あ 特 将来 入 期 い 金属 作製 金属
界面 接触 作 必要 あ 関数 制御 技術的 題
あ 接触 壁 制御 遉 い 考え
界面物理 知見 金属 半 体 界面 現象 起
壁 制御 困 あ 示 い 従来 接触
現象 矛盾 含 い 考え う 観 研究 実験
得 接触 第一原理計算 考察 金属－半 体界面 現象 方
矛盾 い 新 接触 案 壁 広い範
領域 多数 存 電子 共鳴 伝
接触 遉 い 考え い 細 い 研究 真
偽 含 検討 予 あ
図4：本研究 提案 た新た オ ッ 接触の
－72 － 構造界面制御手法 案
半 体 う 金属－絶縁体－半 体 う 種類 物質 積 構造 作 中
間 存 絶縁体 膜厚 界面 個 考え わ い い
々 案 い 当 積 構造 制御 方法 理論的 案 第一 酸 物 代表 酸 物 利用 第 炭素等 元素 世代絶縁膜 入 界面熱力学 設計 あ ０ 手法 実験的 効性 確
4. 研 究 業 績
<発表論文>
1. Shingo Okubo, Toshiya Okazaki, Naoki Kishi, Takeshi Nakanishi, Susumu Okada and Sumio Iijima,
``Diameter-Dependent Band Gap Modification of Single-Walled Carbon Nanotubes by Encapsulated Fullerenes" Journal of Physical Chemistry C, Vol. 113, 571 - 575 (2009).
2. Keisuke Sawada, Fumiyuki Ishii, Mineo Saito, Takazumi Kawai, and Susumu Okada, ``Phase Control of Graphene Nanoribbon by Means of Carrier Doping: Antiferromagnetic, Noncollinear-Magnetic, and Ferromagnetic Phases", Nano Letters, Vol. 9 (1), pp 269--272 (2009).
3. Kazuyuki Uchida and Susumu Okada, ``Electronic Structure of Carbon Nanotubes in Field-Effect Transistor: A First-Principle Study", Physical Review B Vol. 79, art. no. 085402 (2009).
4. Dam Hieu Chi, Nguyen Thanh Cuong, Ayumu Sugiyama, Taisuke Ozaki, Akihiko Fujiwara, Tadaoki Mitani, and Susumu Okada, ``Adsorption and diffusion of Pt atoms on single-walled carbon nanotubes", Physical Review B Vol. 79, art. no. 115426 (2009).
5. Susumu Okada and Toshio Kobayashi, ``Electronic Properties of Graphite with Rotational Stacking Arrangement", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 48, art. no. 050207 (2009).
6. Susumu Okada, ``Electronic Structures and Energetics of Semiconducting Carbon Nanotubes Absorbed on SiO2 Surfaces", Chemical Physics Letters, Vol. 474, pp. 302 - 306 (2009).
7. Yoshiteru Takagi and Susumu Okada, ``Theoretical calculation for the ultraviolet optical properties of single-walled carbon nanotubes", Physical Review B Vol. 79, art. no. 233406 (2009).
8. Takazumi Kawai, Susumu Okada, Yoshiyuki Miyamoto, and Hidefumi Hiura, ``Self-redirection of tearing edges in graphene: Tight-binding molecular dynamics simulations", Physical Review B Vol. 80, art.
no. 033401 (2009).
－73 －
9. Soon-Kil Joung, Toshiya Okazaki, Naoki Kishi, Susumu Okada, Shunji Bandow, and Sumio Iijima,
``Effect of Fullerene Encapsulation on Radial Breathing Mode Frequencies of Single-Wall Carbon Nanotubes", Physical Review Letters, Vol. 103, art. no. 027403 (2009).
10. Susumu Okada, ``Atomic configurations and energetics of vacancies in hexagonal boron nitride:
First-principles total-energy calculations", Physical Review B Vol. 80, art. no. 161404(R) (2009).
11. Minoru Otani, Susumu Okada, and Yasuharu Okamoto, ``Intrinsic Dipole Moment on the Capped Carbon Nanotubes", Physical Review B Vol. 80, art. no. 153413 (2009).
12. Susumu Okada, ``Formation of Graphene Nanostrctures on Diamond Nanowire Surfaces", Chemical Physics Letters, Vol. 483, pp. 128--132 (2009).
13. Takahiro Kondo, Yosuke Iwasaki, Yujiro Honma, Yoshiteru Takagi, Susumu Okada, and Junji Nakamura,
``Formation of non-bonding electronic states of graphite due to Pt-C hybridization", Physical Review B Vol. 80, art. no. 233408 (2009).
14. Jun-Ichi Iwata, Daisuke Takahashi, Atsushi Oshiyama, Taisuke Boku, Kenji Shiraishi, Susumu Okada, and Kazuhiro Yabana, ``Massively-parallel electronic-structure calculations based on the real-space
density-functional theory", Journal of Computational Physics, Vol. 229, pp. 2339-2363 (2010).
15. Susumu Okada, ``Semiconducting Electronic Structure of Graphene Adsorbed on Insulating Substrate:
Fragility of the Graphene Linear Dispersion Band", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, art. no.
020204 (2010).
16. Kazuhiro Yanagi, Yasumitsu Miyata, Zheng Liu, Kazu Suenaga, Susumu Okada, and Hiromichi Kataura,
``Influence of metallic or semiconducting nanotube walls on encapsulated -conjugated molecules", Journal of Physical Chemistry C, Vol. 114, pp. 2524-2530 (2010).
17. Yoshiteru Takagi and Susumu Okada, ``Optical Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes in Ultra-Violet Region", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, art. no. 02BB01 (2010).
18. Susumu Okada, Yoshiteru Takagi, and Takazumi Kawai, ``Formation of Multi-Walled Nanotubes from Diamond Nanowires", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, art. no. 02BB02 (2010).
19. Yoshiteru Takagi and Susumu Okada, ``Electronic Structure Modulation of Folded Graphene", Journal of Physical Society of Japan, Vol. 79, art. no. 033702 (2010).
20. Katsunori Wakabayash, Ryutaro Tomita, Yuhei Natsume, and Susumu Okada, ``Edge states and flat bands of graphene nanoribbons with edge modification", Journal of Physical Society of Japan,Vol. 79, art. no.
034706 (2010).
－74 －
21. Minoru Otani, Mikito Koshino, Yoshiteru Takagi, and Susumu Okada, ``Intrinsic Magnetic Moment on (0001) Surfaces of Rhombohedral Graphite", Physical Review B, Vol. 81, art. no. 161403(R) (2010).
22. J.-I. Iwata, D. Takahashi, A. Oshiyama, T. Boku, K. Shiraishi, S. Okada, K. Yabana,“A Massively-parallel electronic-structure calculations based on real-space density-functional theory”, J. Comp. Phys. 229, 2339 (2010).
23. J.-I. Iwata, “First-Principles Calculation for Extremely Large Systems by Parallel Computations Based on the Order-N^3 Real-Space Density-Functional Theory”, Journal of Computational Theoretical
Nanoscience 6, 2514 (2009).
24. J.-I. Iwata, A. Oshiyama, K. Shiraishi, “Large-Scale First-Principles Electronic Structure Calculations for Nano-Meter Size Si Quantum Dots”, e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 8, 48 (2010) 25. Y. Sakurai, J. Iwata, M. Muraguchi, Y. Shigeta, Y. Takada, S. Nomura, T. Endoh, S.-I. Saito, K. Shiraishi,
M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki, “Temperature Dependence of Electron Tunneling between Two Dimensional Electron Gas ans Si Quantum Dots”, Jpn. J. Appl. Phys. 49, 014001 (2010).
26. Y. Sakurai, S. Nomura, Y. Takada, J. Iwata, K. Shiraishi, M. Muraguchi, T. Endoh, T. Shigeta, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki, “Anomalous temperature dependence of elect ron tunneling between a two-dimensional electron gas and Si dots”, Physica E, 42, 918 (2010)
27. K. Yamaguchi, A. Otake, K. Kobayashi, and K. Shiraishi, “Atomistic origin of high-quality "novel SiON gate dielectrics"”, MICROELECTRONIC ENGINEERING, 86: 1680-1682 (2009)
28. K. Shiraishi, “Theoretical models for work function control”, MICROELECTRONIC ENGINEERING, 86: 1733-1736 (2009) (Invited Paper).
29. N. Umezawa, K. Shiraishi, and T. Chikyow, “Stability of Si impurity in high-kappa oxides”, MICROELECTRONIC ENGINEERING, 86: 1780-1781 (2009)
30. A. Otake, A, K. Yamaguchi, K. Kobayashi, and K. Shiraishi, “Theoretical studies on the charge trap mechanism of MONOS type memories -Relationship between atomistic information and program/erase actions”, MICROELECTRONIC ENGINEERING, 86: 1849-1851 (2009)
31. T. Obata, J-I. Iwata, K. Shiraishi, and A. Oshiyama, “First principles studies on In-related nitride semiconductors”, JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, 311: 2772-2775 (2009)
32. Y. Kangawa, T. Akiyama, T. Ito, K. Shiraishi, K. Kakimoto, “Theoretical approach to structural stability of c-GaN: How to grow cubic GaN”, JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, 311: 3106-3109 (2009)
－75 － 学術講演
招 講演 国 会議
1. K. Shiraishi, “Physics for Si nanowire FET and its fabrication”, PICE International Symposium on Silicon Nano Devices in 2030: Prospects by World’s Leading Scientists, October 13-14, 2009, Tokyo, Japan.
2. K. Shiraishi, “Physics of Nano-Interfaces and Nano-Structures for Future Si Nano-Devices”, 216th Meeting of Electrochemical Society, October 4-9, 2009, Vienna, Austria.
3. S. Nomura, Y. Sakurai, Y. Takada, K. Shiraishi,M. Muraguchi, T. Endoh, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki,
“Physics of Nano-contact between Si Quantum Dots and Inversion Layer”, 216th Meeting of Electrochemical Society, October 4-9, 2009, Vienna, Austria.
4. K. Shiraishi, “Physics of Nano-Interfaces and Nano-Structures for Future Si Nano-Devices”, 10th International Conference on Atomically Cotrolled Surfaces, Interfaces and Nanostructures, September 21-15, 2009, Granada, Spain.
5. K. Shiraishi, “Guiding Principles toward Future Gate Stacks Given by the Construction of New Physical Concepts”, 2009 Symposium on VLSI Technologies, June 15-17, 2009, Kyoto, Japan.
6. K. Shiraishi, "Theoretical models for work function control", 16th biannual conference of Insulating Films on Semiconductors, June 29- July 1, 2009, Cambridge, UK
7. K. Shiraishi, K. Yamaguchi, A. Otake, and K. Kobayashi, "Atomistic Studies for MONOS-Type Charge Trap Memories. -A Theoretical Guiding Principles for High Program/Erase Endurance", The 15th International Workshop on the Physics of Semiconductor Devices, Dec.15-19, New Delhi, India
8. K. Shiraishi, "Nano Device Design by Theoretical Approach", 2009 International Conference on Solid State Devices and Materials, Short Course, "From Basic Theory to Newest Application in MOS Devices", Oct. 6, 2009, Sendai, Japan.
国 学会
9. 石賢 旓代 物性物理 何 ＝ 春 第 回応用
物理学関係連 講演会 旓代 物性物理 敥 ‐ 半 体
来像 ‐ 波大学 ば 日 日
－76 －
10. 石賢 埋 界面 関 理論 計算 学研究 前線 春 第 回応用物理学 関係連 講演会 埋 界面 関 理論 計算 学研究 前線 波大学
ば 日 日
11. 和＊遠藤哲郎＊牧原克 ＊ 弥央＊宮崎誠一＊櫻井蓉子＊ 宏＊ 晋 郎＊ 石賢
少数電子 動 来 姿 子電子 春 第 回応用
物理学関係連 講演会 旓代 物性物理 敥 ‐ 半 体
来像 ‐ 波大学 ば 日 日
12. 岩井洋 研 石賢 山 啓作 大毛利健治 井一生 角嶋邦 之
ワ 研究 現状 作 考え方 春 第 回応用物理学関係連 講
演会 新展開‐ 機能 性能 新 料 新構造技術 波 大学
ば 日 日
13. 晋 郎 櫻井蓉子 宏 石賢 和 遠藤哲郎 弥央 牧原克 宮崎誠一
電子励起状態 子 現象 変調 春 第 回応用物理学関係連 講
演会 系 系 構造 励起 波大学 ば 日
日
14. 石賢 ワ 構造解析 春 第 回応用物理 学関係連 講演会
代 考え 東海大学 秦 日
日
15. 石賢 性 共 結 性 織 新 い 料 学 世界 振 返
秋 第 回応用物理学会学術講演会 研究 振 返
富山大学 富山 日 日
16. "
" 第 回日 生物物理学会 会 "
"
一般講演
17. Jun-ichi Iwata, Atsushi Oshiyama, Kenji Shiraishi, "Large-scale first-principles electronicstructure calculations for nano-meter size Si quantum dots", 10th International Conference on Atomically Controlled Surface, Interfaces, and Nanostructures, Sep.21-25, 2009, Granada, Spain