VII-4
ナノ構造物性
1. メンバー教授 岡田晋
学生 博士課程学生： 修士課程学生： 学群生：3
2. 概要
構造 持 物質 い 物性 系 サイ 表面(端)形状等
非常 大 く依存 こ 知 い こ こ 他方 い 既存 物質
い 物質 サイ メ 形状 制御 こ
新奇物性 新機能発現 誘起させ こ 可能 あ こ 示唆 い 実際 興味
深い物性 示 種々 炭素物質群 合 近 盛 さ い 例え
限幅 イ 断片 イ ン 端形状 依存 端
構 原子 ン分極 生 事 知 い さ こ ン 丸
限長さ ュ ュ 直 依存 強磁性 反強磁性磁気秩序
示 事 々 量子論 基 く全 計算 明 い ま
ュ 員環 ８員環 陥 導入 こ 陥
分極電子 局 ュ 軸 強磁性的秩序 発現
々 ， サイ 炭素系 ュ ン イ
電子物性 理論的 解析 こ ，サイ 形状 誘起 特異 電子物性
発現 可能性 索 事 目的 い
3. 研究成果
方晶窒化 素(h-BN) ン 磁性
方晶窒化 素(h-BN) 窒素 素 元 原子層物質
ン 一致 い こ ン
面 構造構築 点 興味 持 い ここ h-BN中 角形
型 ン 分子 構造 電子状態
解明 行 特 ン 不対電子 S=1/2
ン こ h-BN 埋 込ま ン ン物性
解明 行 々 計算 h-BN 埋 込ま ン 間
ン- ン相互作用 反強磁性的 相互作用 大 さ 間距離
0.5nm 25meV 最大 間 増加 伴い速や 減少 1nm
越え 厳密 ゼ こ 明 ま 分極 ン 分
布 境界 形 原子種 わちB/C境界 N/C境界 依存 境界
け 異種原子 π軌道 混 い 異 振 舞い 示 こ 明
ンナ ボン ー論 電子構造
ン 電子構造 そ ッ ワー 形状 強く依存す こ 知 例え
ば ンをナ ー 幅を持つ ボン状 切 出した ンナ ボン
(GNR) ボン 端形状や幅 依存し 金属や半導体 こ う 形状
電子構造制御 可能 あ こ ン 次世代 各種 バイ 材料 し
注目さ い そ 応用 い 必須 種々 電子構造を生 出すナ
構造 ー安定性 ここ ン 応用 い 本質
ン 端 着目し そ 端形成 要す ー す わち端 安定性をし
した ここ ザ アームチ ア ５通 端形状 対し そ 端
形成 ーを明 した
そ 結果 アームチ ア型 端
ザ 型 端 比
ー的 安定 あ こ
アームチ ア近傍 端 い
ー 一定
あ こ を明 した た GNR 横電界印加
端 形成 ー 下
こ も明 した
θ
=0
°
θ °
θ
°
θ
°
θ
°
−10 −5 0 5 10−15 −10 −5 0 5 10 15
y
[
Å
]
z [Å]
− − − − − y [ Å ] Å − − − − − Å Å − − − − − Å Å − − − − − Å Å
図2 電界 ン ン
図1: ン/h-BN 構造 ン密度分布
変形したCNT ャ ア注入
ン ュ (CNT) 形状 得意 電子物性 半導体 バイ
特 バイ 材料 注目 集 いま CNT 実 バイ 中
い 担持基板や他 CNT 相互作用 変形 い こ 示
唆さ い 一般 CNT 電子構造 変形 対 脆弱 あ こ こ
変形 バイ 構造中 CNT ャ 注入 影響 及 こ 予想さ
ここ 種々 断面形状 変形 直 1.5nm CNT 対向電極 前
配置 CNT 電荷注入 行い 蓄積さ 電荷密度分布 電界分布 静電
容量 解析 計算 行 計算 結果 蓄積電荷密度 電界分布共 CNT
断面形状 強く依存 こ 明 凸部 う 変形 場
合 近傍 い 電界集中 起こ 時 周 電荷 振動 起
こ ま 静電容量 断面形状 さ こ 印加さ
電 強く依存
十重付加C60鎖 カ ン相互作用
図 :変形 CNT 注入さ 電子 空間分布
メ 基(-CH3) 個 付加 C60分子 メ 基 付加 こ C60分子 球状 π電子系 五員環 赤道 存
ン ン 分断さ こ うち 五員環 個 π電子 持 こ
開殻電子系 個 ン 持 メ 付加C60分子
五員環 持 S=1/2 ン 誘起さ
間 相互作用 期 さ 本研究 う メ 付加C60分
子 元鎖 考え 分子 存 ン 分子 分子
間 相互作用 強さ 安定 相対配向 理論的 調 結果 分
子間 ン相互作用J2 11meV
分子 相互作用J1=42meV 概 1/4 強さ あ こ わ ま
安定 ン配向 分子 分
子間 反 行 反強磁性的 配
向 好 こ 明 さ
分子配向 分子間 ン相
互作用 影響 及 こ 明
５ 欠陥による２層グラフェンの電子構造変調
通常 ン ミ 線形分散バン 金属 ま
こ 非常 高速 電子/正孔 ミ 近傍 存 こ 用
い バイ 応用 可能性 期 さ いま 一方 こ 超高速 電子系
ン 他 物質 く 他 ン 層 相互作用 強
く擾乱 受け こ 知 いま 例え 枚 ン 重 こ
得 層 ン 層間相互作用 ン 特徴
あ 線形分散バン 持 いこ 知 いま ここ ン
陥
ン 吸着させ 片
層 陥 層
ン構造
ン 電子構造
う 変調 受け 調
ま 解析 結果
う 陥 導入
陥 い
ン バン 構造
図4: C60Me5鎖 ン配向
図 ： 陥 層 ン 電子構造
限 バン ャッ 誘起さ 半導体化 起こ こ 明 ま
こ 陥 ン層 ン ャ 変調
積層構造 陥構造 ン バン ン ン 可能 あ
こ 示
4. 学位論文 博士：
1. Bui Thi Kieu My：First principles study on NASICON-based rechargeable sodium-ion batteries: Structures and diffusion in cathode, electrolyte
materials and through interfaces 2016 3
修士：
1. 石山佑: 電界 け ン ュ 電子物性(2016 )
2. 田康 ：密度汎関数理論 1 元 ン構造体 物性解明(2016
)
5. 受賞 外部資金 知的財産権等
受賞等 賞 称 受賞者 イ 日
1. 山中綾香 日本学術振興会 博士特別研究員 DC2 2015 4 ~
2. 丸山実那 日本学術振興会 博士特別研究員 DC2 2015 4 ~
外部資金 称 氏 代表 分担 別 択 度 金 課
代表
1. 科学研究費補助金 基盤研究(A)(文部科学省) (2013 度～2016 度)
炭素物質 無機半導体 複合構造 け 界面物性 解明 総
：35,200千
2. 科学研究費補助金 新学術研究 募研究 文部科学省 2014 度〜2015
度 計算科学 基 く新奇原子層物質複合系 物性解明 物質設計 総
：5,300千
6. 研究業績
(1) 研究論文
1. M. Maruyama, S. Okada, Geometric and Electronic Structures of
Polymerized C32 Fullerenes: Electronic Structure Tuning by Fullerene and
Carbon Nanotube Filling , Jpn. J. Appl. Phys. 54, 06FF02 (2015). (10.7567/JJAP.54.06FF02)
2. U Ishiyama, N.-T. Cuong, S. Okada, Threshold voltage variation for
charge accumulation in carbon nanotube owing to monatomic defect
arrangement", Jpn. J. Appl. Phys. 54, 06FF04 (2015).
(10.7567/JJAP.54.06FF04)
3. K. Narita, S. Okada, Electronic structures of Decamethyl C60 under an
Electric Field", Jpn. J. Appl. Phys. 54, 06FF09 (2015).
(10.7567/JJAP.54.06FF09)
4. T. Igarashi, H. Kawai, K. Yanagi, N.-T. Cuong, S. Okada, T. Pichler,
Manipulation of Localized Transverse Surface Plasmon Resonance in
Electricity-selected Single-wall Carbon Nanotubes by Electric Double
Layer Carrier Injections", Phys. Rev. Lett. 114, 176807 (2015).
(10.1103/PhysRevLett.114.176807)
5. S. Kigure, H. Omachi, H. Shinohara, S. Okada, Nano-Saturn: Energetics of the Inclusion Process of C60 into Cyclohexabiphenylene", J.Phys. Chem.
C 119, 8931- 8936 (2015). (10.1021/acs.jpcc.5b00449).
6. H. E. Lim, Y. Miyata, M. Fujihara, S. Okada, H. Omachi, R. Kitaura, H.
Shinohara, Fabrication and Optical Probing of Highly-Extended, Ultrathin Graphene Nanoribbons in Carbon Nanotubes", ACS NANO 9, 5034-5040
(2015). (10.1021/nn507408m)
7. U Ishiyama, N.-T. Cuong, S. Okada, Influence of Defects for Carrier
Injection In Carbon Nanotubes", Jpn. J. Appl. Phys. 54, 065101 (2015).
(10.7567/JJAP.54.065101)
8. K. Narita, S. Okada, Radical Spin Interaction in One-dimensional Chain
of Decamethyl C60", Chem. Phys. Lett. 634, 129-133 (2015).
(doi:10.1016/j.cplett.2015.05.075)
9. D. Matsumoto, K. Yanagi, T. Takenobu, S. Okada, and K. Marumoto,
Electrically induced ambipolar spin vanishments in carbon nanotubes",
Scientific Rep. 5, 11859 (2015). (doi:10.1038/srep11859)
10. M. Maruyama, N.-T. Cuong, S. Okada, Geometric and electronic structures
of two-dimensional networks of fused C36 fullerenes", J. Phys. Soc. Jpn.
84, 084706 (2015). (doi: 10.7566/JPSJ.84.084706)
11. M. Nakamura, S. Yoshida, T. Katayama, A. Taninaka, Y. Mera, S. Okada, O.
Takeuchi, H. Shigekawa, Three-dimensional dynamic probe imaging
mechanically activated switching of Si-based single-molecule junction",
Nature Commun. 6, 8465 (2015). (doi:10.1038/ncomms9465)
12. T. Kondo, D. Guo, T. Shikano, T. Suzuki, M. Sakurai, S. Okada, J. Nakamura,
Observation of Landau levels on nitrogen-doped flat graphite surfaces
without external magnetic fields", Sci. Rep. 5, 16412 (2015). (DOI:
10.1038/srep16412)
13. K.-M. Bui, V.-A. Dinh, S. Okada, T. Ohno, Hybrid functional study of the NASICON-type Na3V2(PO4)3: Crystal and electronic structures, and
polaron-Na vacancy complex diffusion", Phys. Chem. Chem. Phys. 17,
30433-30439 (2015). (DOI: 10.1039/c5cp05323d)
14. K. Kishimoto, S. Okada, Influence of the Defects on the Electronic
Structures of Bilayer Graphene", Surf. Sci. 644, 18-23 (2016).
(doi:10.1016/j.susc.2015.08.036)
15. A. Yamanaka, S. Okada, Energetics and electronic structures of graphene
nanoribbons under a lateral electric field", Carbon 96, 351-361 (2016).
(doi:10.1016/j.carbon.2015.09.054)
16. M. Maruyama, S. Okada, Magnetic Properties of Graphene Quantum Dots
Embedded in h-BN Sheet", J. Phys. Chem. C 120, 1293-1302 (2016). (DOI:
10.1021/acs.jpcc.5b09882).
17. A. Yamanaka, S. Okada, Influence of electric field on electronic states
of graphene nanoribbons under a FET structure", Jpn. J. Appl. Phys. 55,
035101 (2016). (DOI: 10.7567/JJAP.55.035101).
18. P. Solis-Fernandez, S. Okada, T. Sato, M. Tsuji, H. Ago, Gate-Tunable
Dirac Point of Molecular Doped Graphene", ACS Nano 10, 2930 - 2939 (2016).
(DOI: 10.1021/acsnano.6b00064)
(2) 招 講演
1. Susumu Okada, Geometric and electronic structures of nanocarbon hybrid
materials", CCTN15: Tenth International Symposium on Computational
Challenges and Tools for Nanotubes, June 28, 2015, Nagoya University
(Nagoya).
(3) 国際会議発表
1. M. Maruyama, S. Okada, “Magnetic properties of carbon flakes embedded in h-BN
sheet", 18th International Symposium on Intercalation Compounds (ISIC-18), May 31-
June 4 2015, Strasbourg, France,
2. A. Yamanaka, S. Okada, “Electronic structure and energetics of graphene nanoribbons
under an external electric field", 18th International Symposium on Intercalation
Compounds (ISIC-18), May 31- June 4 2015, Strasbourg, France,
3. M. Maruyama, S. Okada, “Geometric and electronic structures of two-dimensional
networks of fused C36 fullerenes", 16th International Conference on the Science and
Application of Nanotubes (NT15), June 29- July 3, 2015, Nagoya University
(Nagoya).
4. S. Okada, S. Kigure, H. Omachi, H. Shinohara, “Energetics and electronic structures
of nano-Saturn: Novel inclusion compounds consisting of C60 and
cyclohexabiphenylene", 16th International Conference on the Science and Application
of Nanotubes (NT15), June 29 - July 3, 2015, Nagoya University (Nagoya).
5. A. Yamanaka, S. Okada, “Energetics and electronic structure of graphene
nanoribbons", 16th International Conference on the Science and Application of
Nanotubes (NT15), June 29 - July 3, 2015, Nagoya University (Nagoya).
6. K. Narita, S. Okada, “Magnetic properties of decamethyl C60 chain", 16th
International Conference on the Science and Application of Nanotubes (NT15),
7. June 29-July 3, 2015, Nagoya University (Nagoya).
8. U Ishiyama, S. Okada, “Competition and cooperation between external and internal
electric fields for carrier injection in carbon nanotubes with defects", 16th
International Conference on the Science and Application of Nanotubes (NT15), June
29 - July 3, 2015, Nagoya University (Nagoya).
9. T. Yayama, S. Okada, T. Chikyow, “Electronic structure of carbon nanotubes on
GaN-(0001) surface", 16th International Conference on the Science and Application of
Nanotubes (NT15), June 29 - July 3, 2015, Nagoya University (Nagoya).
10. U Ishiyama, S. Okada, “Competition and Cooperation between External and Internal
Electric Fields for Carrier Injection In Carbon Nanotubes with Defects", 28th
International Conference on Defects in Semiconductors, July 27 - 31, 2015, Aalto
University (Espo)
11. M. Maruyama, S. Okada, “Magnetic properties of graphene flakes embedded in h-BN
sheet", 28th International Conference on Defects in Semiconductors, July 27 - 31,
2015, Aalto University (Espo)
12. K. Narita, S. Okada, “Geometric and Electronic Structures of Graphene Nanoribbon
with Topological Defects: Corannulene Polymers" 28th International Conference on
Defects in Semiconductors, July 27 - 31, 2015, Aalto University (Espo)
13. A. Yamanaka, S. Okada, Energetics and Electronic Structure of Graphene Edges",
28th International Conference on Defects in Semiconductors, July 27 - 31, 2015, Aalto
University (Espo)
14. A. Yamanaka, S. Okada, “Influence of Local Electric Field on Electronic States of
Graphene Nanoribbons", International Conference on Solid State Devices and
Materials, September 27-30, Sapporo Convention Center (Sapporo)
15. K. Kishimoto, S. Okada, “Bandgap Engineering of Graphene by Mean of Adsorption
of Defective Graphene", International Conference on Solid State Devices and
Materials, September 27-30, 2015, Sapporo Convention Center (Sapporo)
16. M. Maruyama, S. Okada, “Radical Spin Interaction of Graphene Flakes Embedded
into h-BN Sheet", International Conference on Solid State Devices and Materials,
September 27-30, 2015, Sapporo Convention Center (Sapporo)
17. T. Kawai, S. Okada, M. Otani, “First-Principles Calculations for Diffusion Mechanism
of Li Atom from Li(EC)4 to Interlayer of Graphite with Hydrogen/Carbonylic Edge
Terminations", International Conference on Solid State Devices and Materials,
September 27-30, 2015, Sapporo Convention Center (Sapporo)
18. U Ishiyama, N.T. Cuong, S. Okada, “Competition and Cooperation between External
and Internal Electric Fields for Carrier Injection in Carbon Nanotubes with Defects",
International Conference on Solid State Devices and Materials, September 27-30,
2015, Sapporo Convention Center (Sapporo)
19. J. Sorimachi, S. Okada, “Energetics of H2O Encapsulated in Fullerenes under an
Electric Field", International Conference on Solid State Devices and Materials,
September 27-30, 2015, Sapporo Convention Center (Sapporo)
20. T. Kawai, S. Okada, M. Otani, “First-Principles Calculations for Desolvation of
Li(EC)4 at the Graphite Edge with Hydrogen/Carbonylic Terminations", 28th
International Microprocesses and Nanotechnology Conference, November 10-13,
2015, Toyama International Conference Center (Toyama)
21. U Ishiyama, S. Okada, “Electronic Properties of CNT Thin Films under an Electric
Field", 28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference, November
10-13, 2015, Toyama International Conference Center (Toyama)
22. K. Narita, S. Okada, “Geometric and Electronic Structures of One-Dimensionally
Polymerized Coronene Molecules", 28th International Microprocesses and
Nanotechnology Conference, November 10-13, 2015, Toyama International
Conference Center (Toyama)
23. M. Maruyama, N.T. Cuong, S. Okada, “Design of Novel Elemental Semiconductors:
Two- Dimensional Covalent Networks of Fused C36 Fullerenes", 28th International
Microprocesses and Nanotechnology Conference, November 10-13, 2015, Toyama
International Conference Center (Toyama)
24. K. Kishimoto, S. Okada, “Electron-State Tuning of Bilayer Graphene by Defects",
28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference, November 10-13,
2015, Toyama International Conference Center (Toyama)
25. J. Sorimachi, S. Okada, Electric Field Screening of Fullerene Cages: Energetics of a
Water Molecule Encapsulated in Fullerenes", 28th International Microprocesses and
Nanotechnology Conference, November 10-13, 2015, Toyama International
Conference Center (Toyama)
26. K. Kanahashi, J. Pu, N.T. Cuoug , L.-J. Li , S. Okada, H. Ohta, T. Takenobu, “Thermoelectric Properties of CVD-Grown Transition Metal Dichalcogenide Monolayers", 28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference,
November 10-13, 2015, Toyama International Conference Center (Toyama)
27. A. Hasegawa, S. Okada, “Influence of Deformations of Carbon Nanotubes on Carrier
Accumulation under an Electric Field", 28th International Microprocesses and
Nanotechnology Conference, November 10-13, 2015, Toyama International
Conference Center (Toyama)
28. A. Yamanaka, S. Okada, “Structural dependence of electronic properties of graphene
nanoribbons on an electric field", 2015 International Chemical Congress of Pacific
Basin Society, December 15-20, Honolulu Convention Center (Honolulu, Hawaii)
29. M. Maruyama, S. Okada, “Radical spin interaction of graphene flake embedded into
h-BN sheet", 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Society,
December 15-20, Honolulu Convention Center (Honolulu, Hawaii)
30. U Ishiyama, S. Okada, “Gate voltage variation for carrier accumulation by the defects
in carbon nanotubes", 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Society,
December 15--20, Honolulu Convention Center (Honolulu, Hawaii)
31. K. Narita, S. Okada, Geometric and energetics structures of corannulene polymers",
2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Society, December 15--20,
Honolulu Convention Center (Honolulu, Hawaii)
