次世代半導体デバイスの材料として期待されるカーボンナノチューブの導電率解析事例を紹介します。
次世代半導体デバイスの材料として期待されるカーボンナノチューブの電気伝導率を第一原理計算で解析する例を紹介します。ここでは、カーボンナノチューブの導電率に対するカーボン欠陥と架橋金属の影響に焦点を当てた。
図 1 は、使用した計算モデルを示しています。電気伝導計算では、電極部と散乱部のモデルから得られる電子状態に基づいて電気伝導特性を計算します。散乱部分では、キラリティが (4,4) で管長が1.73 nmのカーボンナノチューブをモデル化し、そのモデルをもとに炭素欠陥が1つあるモデルと、Co原子が架橋されたモデルを作成しました。
電気伝導計算は、クアンタム・エスプレッソ (v6.3) の電気伝導計算関数pwcond.xを用いて行いました。計算条件の詳細を表1に示します。
表 1 計算条件
図3は、CNTモデルの電気伝導率を表す伝達関数と、フェルミ準位付近での部分状態密度解析の結果を示しています。今回使用したCNTモデルは管長が短く、バンドギャップは確認されていませんが、図3 (a) より、CNT特有のフェルミ準位付近で段階的に増加する伝達関数の特性が再現できます。また、図3 (b) から、伝達関数の分布がCNTのパイ結合を示すC原子のp軌道の分布に対応していることが確認されました。
次に、図4に炭素欠陥のあるCNTモデルの計算結果を示します。図4 (a) を見ると、図3の欠陥がない場合と比べて、全体的に伝達関数が小さく、導電率が低いことが確認されました。図4 (b) の状態密度解析の結果を見ると、欠陥のない図3 (b) に比べて、炭素欠陥の影響がフェルミ準位付近に現れていることが確認できます。電気伝導率は低下すると考えられています。
次に、Co-架橋を用いたCNTの導電率の計算結果を図4に示します。Co原子の架橋によりスピン分極が生じるため、UPスピンとDOWNスピンの両方について透過関数と状態密度の部分解析を行いました。図4 (a) から、DOWNスピンの伝達関数はUPスピンよりもフェルミ準位以下では伝達関数が小さく、有限のバイアスでは導電率が低下することがわかりました。図4 (b) と (c) の状態の部分密度を見ると、Coのd軌道成分はダウンスピンのフェルミ準位近くに分布し、Cのp軌道成分はCoのd軌道と相互作用します。の効果が表れているのが分かります。
最後に、この計算を実行するために必要な計算時間とコストを表2に示します。
表2 CNTの電気伝導計算の計算時間とコスト（セービングノードの16コア使用）
モデル原子番号計算時間量 [ドル] CNTモデル112 1125 時間 35 分 4.2 4.2CNT+ カーボンディフェクトモデル11-15 時間 5 分 3.9CNT+Co クロスリンクモデル1136 時間 31 分 5.0 5.0
オリジナルソース: https://ctc-mi-solution.com/カーボンナノチューブの電気伝導計算/
