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高精度擬ポテンシャル法の開発と表面系への応用
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- 4. TM擬ポテンシャルとMBK擬ポテン シャル TM擬ポテンシャルでは、単一の参照エネルギーしか 取れないため、広いエネルギー領域で散乱特性を再 現することができない。 一方、MBK擬ポテンシャルでは、複数の参照エネル ギーを取ることができるため、広いエネルギー領域で 散乱特性を再現できる。 N. Troullier and J. L. Martins, Phys. Rev. B 43, 1993 (1991). I. Morrison, D. M. Bylander and L. Kleinman, Phys. Rev. B 47, 6728 (1993).
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- 10. 概要 高精度擬ポテンシャルを用いて、ZrB2表面上のグラフェン様 Si単一層（Silicene）の原子構造および電子状態を計算した。 その構造は最近、我々の研究室で作成された。 Siliceneは、グラフェンと同様な構造を有していることから、現 在理論と応用の両面から関心を集めている。 グラフェンはDirac coneと呼ばれる特異なバンド構造を有し ている。 Siliceneも同様の物性を有しているかどうかが注目されている。 Y.Yamada-Takamura et al.,Appl. Phys. Lett. 97, 073109 (2010)
- 11. 銀表面におけるSilicene Boubekeur Lalmi etal., Appl. Phys. Lett. 97 223109 (2010)
- 12. なぜZrB2なのか 有用な特性 高い硬度（モース硬度8） 高融点性（2400℃）および金属性伝導率（熱伝導率99 (W/mK)、電気 抵抗4.6 (μΩ/cm)） 期待される用途 電子エミッタ 触媒 （例えば、青色LEDなどの光学機器に使用される）GaNの薄膜結晶成 長のための基板 実際に、Tolleらによって、Si基板の上に成長したZrB2層が、 GaNの薄膜結晶成長のための、非常によい鋳型を提供する ことが発見された。 我々はこの実験の過程で、Si基板の上のZrB2層のさらに上に、 Si基板のSi原子が移動して単一層を作ることを発見した。 J. Tolle et al., Appl. Phys. Lett. 84, 3510 (2004)
- 13. ZrB2上のSiliceneの実験結果 STM像 STM像（拡大） Si2pのXPSスペクトル Y. Yamada-Takamura et al., Appl. Phys. Lett. 97, 073109 (2010)
- 14. 計算条件 第一原理密度汎関数法計算プログラムOpenMX 一般化勾配近似（GGA-PBE） ノルム保存型高精度擬ポテンシャル 数値局在基底（DZP相当） 構造最適化の際は、スカラー項のみの相対論的取り扱 いを、擬ポテンシャルを介して取り込んでいる。 XPSの計算の際は、Siの2p軌道のスピン軌道分裂を取り 扱うために、fully relativisticな取り扱いをした。
- 15. Si on ZrB2の最適化構造 A.Fleurence et al., Phys. Rev. Lett. 108, 245501 (2012)
- 16. Si on ZrB2の構造 Si原子の位置A (hollow) B (bridge) C (on-top) ZrB2表面からの距 離（平均） 2.124 (Å) 3.062 (Å) 2.727 (Å) 最近接Zr原子との 距離（平均） 2.815 (Å) 3.216 (Å) 2.684 (Å) 最近接Si原子との 距離（平均） 2.266 (Å) 2.258 (Å) 2.242 (Å) 最近接Si原子と作 る角度（平均） 104.1° (sp3 like) 109.7° (intermediate) 117.8° (sp2 like)
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- 20. SiliceneのDirac cone flatsiliceneにはDirac coneが明らかに存在する。 しかし、buckled siliceneはDirac coneが壊れている。 flat siliceneのバンド構造 buckled siliceneのバンド構造
- 21. Si on ZrB2のDiracconeの位置 Si on ZrB2のバンド構造
- 22. Si on ZrB2のDiracconeの位置 Si on ZrB2のバンド構造
- 23. XPSスペクトルと計算によるコアレベルシフト の比較 上図は実験によるXPS スペクトル。下図はSi の2p軌道を考慮した 高精度擬ポテンシャル で計算した2p軌道のコ アレベルシフトの計算。 いずれの図も緑がA (hollow)、赤がB (bridge)、青がC(on- top)。 XPSスペクトルと計算 によるコアレベルシフ トの両者は、良く一致 していることがわかる。 緑：A (hollow) 赤：B (bridge) 青：C (on-top)
- 24. いずれの図も緑がA (hollow)、 赤がB (bridge)、青がC(on-top)。 flat silicene、buckled siliceneとSi on ZrB2に 対するDOSの比較 Si on ZrB2に対するDOS buckled siliceneに対するDOSflat siliceneに対するDOS
- 25. まとめ ZrB2表面上のSiliceneの第一原理計算を行った。 buckledしたSilicene構造が、ZrB2表面上で安定構造を保 つことを、第一原理計算で示した。 ARUPSと計算で得られたバンド構造を比較し、フェルミ面 近傍の状態が、ZrB2の表面状態とSi軌道の混成軌道で あることがわかった。 SiliceneのDirac coneに由来する軌道は、ZrB2との強い 相互作用と、bucklingにより、分裂してフェルミレベルから 1eV下付近に存在している。 計算結果は、XPSによる実験スペクトルとよい一致を示し、 コアレベルシフトが、ZrB2との強い相互作用と、buckling の二つの効果によって説明できることがわかった。