[遷移金属炭化物、窒化物表面関連情報]
(Start, 2/5, 2002)(Update, 9/18, 2009)[Top]
計算対象：遷移金属炭化物、窒化物表面（００１）面
岩塩構造（NaCl型構造）を持つ、TiC、ZrC、NbC、HfC、TaC、TiN、ZrN、NbN、HfN、TaNの各表面で、（００１）面の構造最適化とその電子状態を求める計算を行なった。計算方法は、第一原理分子動力学（FPMD）手法。
（００１）面は、無極性な面となっており、陽イオン（遷移金属原子）と、陰イオン（炭素または窒素原子）が、それぞれ同じ数だけ交互に配置している。実際の計算の上でも極性面〔（１１１）面など〕を扱うより、無極性面の方が計算が楽である。これは無極性面上では電場勾配が生じないためである（通常のバンド計算では周期的境界条件のため、電場を扱うのが大変難しい）。
表面は、スラブ近似によって周期的境界条件の下で扱う。バンド計算手法を使って仕事関数を求める方法については、用語集の”仕事関数の計算”を参照。
筆者（小林）の研究
（ランプリング [rumpling]）
この岩塩構造物質の（００１）表面は無極性面となっていて、ランプリングという構造変位を起こす。おおまかに言えば、表面緩和の過程で陽イオンより陰イオンの方が大きい分、バルク側への変位が陽イオンより小さくなる。従って、陽イオンはバルク側、陰イオンは（相対的或いは絶対的に）真空側へ変位することとなる（必ずしもそうならない場合もある）。
遷移金属炭化物[1]、窒化物[2]において、筆者が計算した系では全て炭素、窒素原子（陰イオンに相当）が真空側、遷移金属原子（陽イオンに相当）がバルク側に変位した。電子状態はバルク、表面（理想表面構造、最適化構造共に）とも金属的であった。
構造最適化以外に仕事関数を理論計算の結果から求めた。計算の結果、遷移金属炭化物表面より窒化物表面の方が、仕事関数の値が小さくなることが分かっている[2]。その理由に関しては、参考文献[2]において説明されているが、非常に手短に言えば炭素と窒素の価電子数の差によるものと考えられる。更に、遷移金属窒化物表面では、理想表面より構造最適化した表面（←ランプリングにより窒素が真空側に変位している）の方が、仕事関数の値が小さく（低く）なる場合があることが分かった。一方、筆者が計算した炭化物表面では、全ての場合で理想表面の方が小さな値となる。計算で得られる仕事関数の精度は、文献[1][2]（特に文献[2]）にあるように、実験値との一致は比較的良いと言える。実験との差は大体、0.2〜0.3 eV程度であり差が最も大きいのはHfN(001)表面で、約1 eVの差がある。
（参考文献）
[1] K. Kobayashi, "First-principles study of the surface electronic structures of transition metal carbides", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39,
No. 7B, (2000) 4311.
[2] K. Kobayashi, "First-Principles Study of the Electronic Properties of Transition Metal Nitride Surfaces", Surface Science 493 (2001) 665 [DOI: 10.1016/S0039-6028(01)01280-8](*).
[3] K. Kobayashi, "First-principles study of the TiX(X = B, C, O, N and F) surfaces", in proceedings of JK2000, (2001) 285. [PDF]（PDF形式、174 kb）
- 【バンド計算関連情報】
- TMC、TMN表面関連（バンド計算関連）[論文]
- 【関連】TMB2（遷移金属二ホウ化物）表面関連[論文]
- （第一原理）バンド計算における仕事関数の[計算の仕方]
- ↑関連：表面系のバンド構造にギャップがある場合の[一考察]（まだ未完成＋調査、勉強中）
- 仕事関数関連：双極子モーメントの[計算]（＋[関連ページ]）
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- （第一原理）バンド計算における極性のある表面の[扱い]
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- 筆者が計算した遷移金属炭化物、窒化物（バルク）の平衡格子定数、体積弾性率の[データ]
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- 【表面関連情報】
- （文献情報：教科書等）←筆者が所有するものが中心
- 塚田捷著、「表面物理入門」、東京大学出版会
- 塚田捷編、「表面における理論I - 構造と電子状態 -」、丸善株式会社（IIもあり）
- 村田好正著、「表面物理学」、朝倉書店
- R. Hoffmann, "Solids and Surfaces - A Chemist's View of Bonding in Extended Structures -"（邦題：固体と表面の理論化学）、小林宏、海津洋行、榎敏明共訳、丸善株式会社
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- （文献情報：総説、解説論文等）
- 草部浩一、幾野佑一、長柄一誠、「密度汎関数法による仕事関数の決定に関して」連載企画（３） 〜第一原理計算（応用編）〜、表面科学、第２９巻、第５号（２００８年５月）、３２１ - ３２４頁
- 兵頭俊夫、長島泰之、「陽電子プローブ(I)白色陽電子の利用」、固体物理、第４３巻、第２号、６３ - ７２（２００８） ← 陽電子親和力、金属表面での（陽電子の）仕事関数に関する記述あり。
- 雑誌「表面科学」、第２９巻、第２号（２００８年２月）、特集：界面エレクトロニクス ← 仕事関数関連の記事あり（有用）。
- 吉武道子、「デバイス電極材料と仕事関数」、応用物理、第７６巻、第４号（２００７年４月）、３９９ - ４０４頁
- S. Yamamoto, "Fundamental physics of vacuum electron sources", Rep. Prog. Phys. 69 (2006) 181-232.
- 石田浩、「アルカリ金属と仕事関数」、固体物理＜計算物理＞特集号、第２４巻、第３号、１３８ - １４２（２７２ - ２７６）頁
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- 筆者D論（PDF形式、320 kb、bandstructure.jpページへ）：Si(001)表面に吸着したアルカリ金属(Na,K)の安定位置とその電子状態を計算した。第一原理分子動力学計算（方法論）やノルム保存型擬ポテンシャルについての記述もあり。
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- （筆者の表面研究歴）
- １９９０年前後：筆者Ｄ論の研究（↑上記参照↑）
- １９９３年〜１９９４年：ダイヤモンド表面の計算
- １９９９年〜現在：遷移金属炭化物、窒化物表面の計算（本ページ参照）
- 他に、山本氏（神奈川工科大学、筆者との共同研究）による計算（Sn/InSb界面の計算、TaB2、HfB2(0001)表面の計算等）がある。
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- 現在は、バルク系の計算を主に行なっている。例：[BC系][BN系(+AlN, SiC)]
関連有用リンク
（筆者の他の研究）
[10H-BN][6H-AlN][5H-BN][h-BN](JPSJへ)
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