ZrB2表面上のシリセンの電子状態計算
Contents
 導入
 実験
 第一原理計算
第一原理計算
JAIST
Chi-Cheng Lee
Hiroyuki Kawai
Taisuke Ozaki
実験
JAIST
Antoine Fleurence
Rainer Friedlein
Yukiko Yamada-Takamura
Y. Yamada-Takamura et al., PRL 95, 266105 (2005).
Y. Yamada-Takamura et al., APL 97, 073109 (2010).
A. Fleurence et al., PRL 108, 245501 (2012).
カーボン以外の元素で二次元的
蜂の巣格子はできるのか?
蜂の巣格子構造はDirac coneに代表される特異な電子構造を持っており、
炭素以外の元素で同様な構造が実現できるのか、興味が持たれる。
C: Graphene
Si: Silicene
Ge: Germanene
ダイアモンド構造とグラフェン構造の安定性
~0.5 eV
~0.1 eV
ダイアモンド構造とグラフェン構造の安定性
Diamond
安定
Graphene
安定
C
仮想擬ポテンシャル原子中のSi比
Si
波打ちシリセンの理論予測
S. Cahangirov et al., Phys. Rev. Lett. 102, 236804 (2009).
Si
Ge
 Si, Ge共にバックルした蜂の巣構造は平面構造より安定である。
 二種類の波打ち構造: Low buckled (LB), High buckled (HB)。
 LB構造はDirac coneを保持している。
実験によるZrB2上でのSilicene構造の生成
北陸先端大 高村(山田)グループ
GaN系発光ダイオードの成長基板としてZrB2 on Si(111)が有望である (格
子整合性、伝導性、平滑性→垂直発光デバイス)。その研究途上でZrB2上に
Si原子が周期構造を作っていることが分かった。Si原子は恐らくSi基板から
ZrB2の成長過程で拡散してきたと考えられる。
STM image
GaN
ZrB2
200Å
Si
GaN(0001)面: a= 3.189Å
ZrB2(0001)面: a= 3.187Å
A. Fleurence et al., PRL 108, 245501 (2012).
A. Fleurence et al., Physica Status Solidi (c) 8, 779-783 (2011).
光電子分光によるSi原子の同定
Intensity (a.u.)
Si 2p3/2
Si 2p1/2
Si 2pの光電子分光ス
ペクトルから、表面近
傍にSi原子が存在。
A
B
B
A
C
C
32±5%
55±5%
13±5%
3種類の化学的環境が
あることを示唆。
 A:B:Cの強度比は
2:3:1
Relative binding energy (eV)
実験によるSTM像
STM像、(2×2)格子、光電子分
光の結果を総合し、一つのモデ
ル構造を構築できる。
Zr
Si
ZrB2[1120]
ZrB2[1100]
A:B:C = 2:3:1
角度依存光電子分光法によるSi位置の高さ
A/B C/B
[11-20]方向のA/Bの強度比
が角度の増加に伴い、減少し
ていることから、SiAがSiBよ
り下にあると考えられる。
角度分解光電子分光スペクトル
M(2×2)付近にZrB2表面状態に由来する分散
Si-K(1×1)付近にπバンド的な分散
ZrB2(0001)-(1x1)
silicene-(1x1)
ZrB2(0001)-(2x2)
K
ΓΓ M
Γ
K
M K
M M
K M
Γ K
密度汎関数法による第一原理計算
OpenMX
LCPAO法、擬ポテンシャル法、GGA汎関数
STM像 Tersoff-Hamman近似
Si-2pの化学シフト計算
Si-2p状態を含んだ相対論的擬ポテンシャル法
バンド分散の計算:バンドアンフォールディング法
活性障壁: NEB法
面内格子定数は実験値(a=3.187Å)を使用。
スラブモデル(Zr: 7層, B: 6層)
ZrB2のバンド構造
Black: Total
Red: Zr-d
Bulk
Slab
ZrB2 (0001) 表面への単一Si原子の吸着
On-top
Hollow
Bridge
Si
2.68 Å
Ebinding= 5.05 eV
2.57 Å (Si height)
Ebinding= 6.08 eV
1.97 Å (Si height)
2.61 Å
Ebinding= 5.79 eV
2.07 Å (Si height)
最適化構造と相対エネルギー
波打ち構造の異なる二種類の安定構造が得られた。
モデル 1
Ebind=1.14
B C
モデル 2
eV/ Si atom
B
NEBによる
Ebind=1.42 eV/Si atom
活性障壁
C
B
A
B
B
A
B
最適化構造: Top view
どちらの構造も蜂の巣格子構造を保持している。
モデル 1
モデル2
Tersoff-Hamman近似によるSTM像
実験
The calculations were
performed by the TersoffHamman approximation,
and an isovalue of 8x10-7
e/bohr3 was used for
generation of the height
profile for both the cases.
V=100mV
モデル2
モデル1
V=+300mV
V=+300mV
SiB(bridge)が明るい
SiC(on-top)が明るい
Si-2p 状態の化学シフト
実験
B A
C
B
モデル 1
C
定性的にはど
ちらのモデル
も実験を再現。
モデル 2
A
C
B
A
Γ点での波動関数
The wave functions just
below Fermi level at
ZrB2(2x2)-Γ-point
(=Si(1×1)-K-point))
are attributed to silicene.
M
K
Γ
M
Isovalue=0.01
Domain boundary might be important?
PRL 108, 245501 (2012)
Domain boundary might be the most important factor
in revealing the realistic ground state by DFT calculation
Comparison between Expt. and Theory
Relative energy
(eV/(2x2) cell)
Model 1
Model 2
0
-1.589
Relative height
of SiA and SiB
Agreement
STM image
Disagreement
Chemical shift of
Si-2p
Agreement
Band structure
Large distortion of
ZrB2 surface band
SiA ≒ SiB
At least the position
of the bright spot agreed
Agreement
ZrB2 surface band
and X2 band
reproduced
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