ナノ構造形成・新機能発現における電子論ダイナミクス
代表者： 押山淳(東大工）分担者： 岩田潤一（筑波大数理物質）

実空間手法、RSDFT、Siナノ構造

宮崎剛（物材機構）

オーダーＮ手法、CONQUEST、Q
生体反応、界面尾崎泰助（北陸先端大）大規模計算手法、OpenMXp

土田英二（産総研）

有限要素基底、FEMTECK、電池(プロトン移動）連携研究者：重田育照（阪大基礎工）
量子化学、実空間Car-ParrinelloMD、生命科学

内田和之（東大工）実空間法、平面波法、ナノ科学

平山博之（東工大総合理工）
表面・界面ナノ構造の顕微分光実験

研究協力者：David Bowler (U College London) CONQUEST
Mauro Boero (U Strasbourg) CPMD
新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑‑5,20111

手法の開発とその応用
 物質デザインには力の計算が重要 安定構造、準安定構造、反応の鞍点の探索

 LDA/GGAの限界を超えて エネルギーギャップ、強相関系問題

їハイブリッド（GGA+HFA）汎関数の可能性、DMatrixFTї他班とのコラボレーション：多体問題
 大規模計算で10nm構造（10万原子系）のDFT計算
 電子デバイス、電池、生体系：
ナノ界面の安定性、電子状態

їRSDFT, CONQUEST, OpenMX, FEMTECKの高度化
ї他班とのコラボレーション：電子、スピン、熱輸送
 反応ダイナミクス
 生体内反応（イオン輸送、酵素反応、、、）、物質生成反応（エピタキ

シャル成長、原子拡散、、、）

їRS-CPMD, MetaDynamics
新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑55,20112炭素ナノチューブの基板表面への選択的配列可能性

Why Alignment?
だって、＊すごい魅力的な物性をもっていても、１本そこにあったって役にたたない＊カイラリティ、直径によって物性が変わるなら、それを制御しなきゃ＊テクノロジーの連続性：今のテクノロジーは物質表面でのファブリケーション！
キルビー特許(TI)！ Jack Kilby Novel prize in 2000
＊集積しなきゃどうにもならない！

新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,20113

Selective Alignment of CNT on Al2O3 Substrate
If carbon nanotubes (CNT) are used in next-generation technology,
they should be aligned and integrated on some substrate.
On Al2O3 surface,
SWCNT aligned along[-1101] on R plane (1-102)& [1-100] on A-plane(11-20) Selectively
Ago et al., CPL (2005)

Berber & Oshiyama:
PRL 96, 105505 (2006)

Also some particular facets
on Al2O3 are used to alignCNTs Ismach et al., JACS (2005)

Chirality Selectivity(16,2)(10,8)(15,1)(9,8)(15,1)(9,8)

新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,2011

Issues: What is the reason of theselective alignment?
 Weak van der Waals OR someCovalency? Actually somedebate based on nothing
In collaboration with Sukmin Jeong,, 201 14

Sapphire Al2O3, Complex Enough in Atomic Scale[0001]
Al: gray
Oxygen: red

Structural Optimization and Energetics of Each Plane
R-planeKurita, Uchida & Oshiyama, PRB 82, 155319 (2010)

A-planeStable Surfaces: stoichiometric surfaces and then Al-rich surfaces
新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,20115

On the Stoichiometric SurfacesAlong the observed direction,(9,9)

dC-Al > 3.20 Å
dC-O > 3.11 Å
cf. dAl-C = 1.90 - 2.21
in Al-carbides
No chemical bonds
Ead = 0.73 eV/nm

Along the different (perpendicular )direction,dC-Al > 3.02 Å
dC-O > 2.91 Å
No chemical bonds
Ead = 0.81 eV/nm(9,9)

Electron Localization Function
Weak (van der Waals) Interaction

Adsorption Energies ( eV / nm )Substrateorientation
R-planeR-planeA-planeA-plane
新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,2011

CNT
direction[-1101][-1101][-1-120][1-100][0001]

LDA

GGA

VdW

0.73
0.81
0.58
0.47

-0.29
-0.30
-0.59
-0.43

2.15
2.41
1.95
1.62

GGA+
VdW
1.87
2.11
1.36
1.19
6

On the Al-Rich Surfaces
R-PlaneAlong the observed direction,[-1101] direction

Along the different (perpendicular )direction,

Flattening of CNT
CNT: sp2 䚍 sp3
Four Al-C bonds
per unitdAl-C = 2.04 ~ 2.15 Å
Ead=5.74 eV/nm(9,9)

Similar to[-1101] direction
But Three Al-C bonds
per unitdAl-C = 2.05 ~ 2.20 Å
Ead = 2.99 eV/nm(9,9)

A-PlaneAlong the observed direction,(10,0)[1-100] direction

Along the different (perpendicular )direction,

CNT: sp2 䚍 sp3
Two Al-C bondsdAl-C = 2.06, 2.10 Å
Ead=1.62 eV/nm

CNT: sp2 䚍 sp3
One or Two Al-C bondsdAl-C = 2.04 , 2.43 Å
Ead = 0.71 eV/nm

新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,2011(10,0)

7

On the Al-Rich Surfaces
Covalent Bonding between substrate and CNT for Al-rich Surfaces- Covalent bond between Al & C- 3DUWO\LRQLF¨4§HSHUbond (Bader charge)
Stoichiometric

Al RichAnisotropic Adsorption Energy (eV /nm) for Al-rich Surfaces
Substrateorientation
R-planeR-planeA-planeA-planeCNT
direction[-1101][-1-120][1-100][0001]

Stoichiometric

Al-Rich

0.73
0.81
0.58
0.47

5.74
2.99
1.62
0.71

Observed on R
Observed on A

Surface anisotropy makes the difference in numbers ofpossible covalent bonds, then SELECTIVE ALIGNMENT

新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,20118

Covalent Bonds Still Keep the Metal Metallic
Energy Bands and Orbitals for Adsorbed (9,9) CNT on R-PlaneB: CNT State

D: Substrate State

新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,20119

Let me finish,
confessing anti-computics fact:
Sukmin Jeong got these results by using
Vienna Ab-initio Simulation Package,,,,,,,
But I should add
he knows everything about our originalplane-wave code now known as TAPP,
PHASE?, STATE?,,,
新学術コンピューティクス研究会 M arch 4‑5,201110