物性理論研究室 - 研究内容

Introduction　「物質の特性を極限まで探究する」

物質を構成している原子や分子は、量子力学という不思議な法則に従っています。
物性理論研究グループでは量子力学をもとに紙と鉛筆とコンピュータを用いて、半導体発光素子の効率向上、量子ビーム照射ナノ構造作製、表面／界面制御による電気伝導制御、有機／生体高分子と無機半導体のハイブリッド素子、などを対象に、幅広く研究を行っています。

現在の研究内容

▼混晶半導体の光学特性: 発光素子への応用で注目されているGaNなどIII-V族およびII-VI族系混晶では、電子のバンドギャップエネルギーEgの組成比xに対する依存性は線形から大きくずれ、その原因は、これまで不明でした。混晶半導体の電子状態と光学特性について一般的理論を構築し、混晶半導体の物性制御の指針を得ることを目標とします。

左図：混晶では原子配列が不規則。　右図：IQBモデルによる電子状態計算の例。
▼半導体発光素子での欠陥反応: 半導体発光ダイオードLEDや半導体レーザーLDなどの発光素子は、電気的エネルギーを光のエネルギーに効率的に変換することができます。一方、転換されない残りのエネルギーは、ほとんど熱、すなわち格子振動として散逸されます。このような非発光過程がどのような機構で生じるのかを理論的に明らかにすることで発光効率の向上を目指します。また、この非発光過程は半導体結晶中での原子配置のずれ、すなわち格子欠陥を誘起する可能性があり、それを制御することは半導体発光素子の信頼性の向上につながります。当研究室では、このような欠陥反応の機構について、その発生条件と頻度を理論的に明らかにします。

左図：より効率的な発光機構へ。　右図：深い準位を介したキャリアの非発光再結合。
▼励起ナノプロセス: 材料開発においてこれまで種々の非平衡励起プロセスが提案されていますが、それらの多くは、まず物質の電子系が励起され、その後原子の凝集形態が変化していく、つまり電子励起非平衡状態の物質ダイナミクスが多様な物質形態創製の鍵となっていいます。しかし、現在のところその物理機構の多くは明らかではありません。
特にナノテクノロジーが対象とするナノスケールの世界は、孤立原子・分子系（力学的アプローチ）とマクロ系（熱統計力学的アプローチ）の境界に位置し、なかでも局所高密度励起系は基礎物理的にも未踏の研究領域です。

左図：様々な量子ビームを照射してナノ構造を創成する。　右図：協調的励起によるナノプロセス。
▼半導体表面・界面の電子状態: 微細加工技術の発展によって、最近ではデバイスのサイズが数μm(10の6乗分の1メートル)から数nm(10の9乗分の1メートル)程度に小さくなってきています。ここまで小さな物質を扱う場合には、今まで無視することのできていた物質の表面や、物質同士の接合界面の影響を真剣に考えなくてはいけません。
物質の電子状態を理論的に解析することで、表面・界面の物理を解明し、より効率のよいデバイス作りの指針を与えることを目指しています。

図：Si(111)7×7 表面におけるDAT分子の吸着状態解析。
▼分子デバイスの電子状態: 従来の半導体加工技術では、出来上がった物質を溶かす・削るなどして作成する手法が主流でしたが、デバイスのサイズが数nmになってくると、このようなトップダウン型の手法には限界があることが分かってきています。
そこで有機自己組織化膜や、生体高分子などを利用して、部品を組み立てるようにデバイスを作成しようというボトムアップ型の手法を用いた、分子デバイスが大きな注目を集めています。
有機分子や生体高分子の電子状態計算を足がかりに、既存のデバイス技術をうまく利用するような分子デバイスの研究を行っています。

左図：Si表面にスチレン分子を並べて「導線」とする。　右図：モデルのバンド構造計算。

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