未来物質領域M1コロキウム　2012年1月11日　第1発表者

発表者

西田　翔（吉田研究室）

指導教員

吉田　博

Title

Stability of hole doped BNs based on first principles calculation

Abstract

Carbon and boron nitride have the fascinating properties such as extreme hardness, high melting point, low dielectric constant, large band gap, etc. Carbon has a crystal polymorphism such as graphite, diamond, fullerene, etc. The phase transition of carbon has already been studied by using the full-potential linearized augmented plane wave method (FLAPW) within the framework of the LDA[1]. The purpose of my research is calculating the structural phase transition of boron nitride. Boron nitride has the cubic and rhombohedral structure like carbon. Structural and cohesive properties of BN in various phases have been investigated by using the method of pseudo-potentials[2,3] and FLAPW [4] However, the effects of hole or electron doping has not been studied yet. Based on the first-principles calculations, I will demonstrate how the carrier doping affects the stability of respective phases of BN.
I will present some of my calculation results of BNs such as electronic structure and compare with FLAPW method. I have calculated the total energy of rhombohedral and zinc-blend structure of BN in the ground state at 0 Pa as a function of hole concentration. For the present calculations, I used the ultra-soft pseudo-potential and plane wave method implemented in the Quantum Espresso code [5] within the framework of the LDA. It is found that the activation energy to convert rhombohedral BN to zinc-blend BN vanishes when the hole concentration exceeds 0.08 per atom. This result is similar to the previous calculations in that the activation energy vanishes [1]. Now I’m calculating electron doped BN hexagonal and zinc-blend structure.

日本語タイトル

ホールドープ窒化ホウ素の構造安定性の評価

日本語概要

炭素と窒化ホウ素(BN)は超硬度、低誘電性、大きいバンドギャップといった魅力的な物性を持つ事が知られている。 炭素はグラファイトやダイアモンド、フラーレンといった結晶多形を取る。 炭素系においてグラファイトからダイアモンドへの構造相転移の計算はすでにFLAPW法を用いて行われている[1]。 本研究の目的はＢＮの系の構造相転移を計算する事である。ＢＮは炭素系と同じように立方晶(閃亜鉛鉱構造)や菱面体構造(グラファイト型)を持つ。 ＢＮの電子状態に関してはすでに擬ポテンシャル法[2,3]やFLAPW法[4]を用いた電子構造計算が報告されている。 しかしながら、正孔や電子をドープした計算はまだ行われていない。 そこで、本研究では正孔や電子といったキャリアがＢＮの構造の安定性にどのように影響を与えるのかを計算した。 本研究ではＢＮの構造相転移を擬ポテンシャル法を用いて計算した。
今回の講演では、擬ポテンシャル法とFLAPW法をそれぞれ用いてＢＮの電子状態を計算した結果を比較する。 また菱面体構造と閃亜鉛鉱構造のそれぞれの構造においてのＢＮに正孔をドープした計算結果も示す。 本研究の計算では、菱面体晶構造から閃亜鉛構造への活性化エネルギーは１原子につき0.08個の正孔をドープすると無くなる事が示された。 この事は、先行研究である炭素の系と活性化エネルギーが無くなるという点で一致する結果となった。今後は電子をドープした計算を行う。

References

[1] H. Nakayama and H. Katayama-Yoshida, J.Phys:Condens.Matter 15, R1077 (2003).
[2] J.Furthmuller, J.Hafner, and G. Kresse, Phys. Rev. B 50, 15 606 (1994).
[3] K.Shirai,H.Fujita,and H.Katayama-Yoshida,Phys.stat.sol. 235,No.2,526-530 (2003)
[4] A.Janotti,S.-H.Wei,and D.J.Singh,Phys.Rev.B 64,174107 (2001)
[5] P. Giannozzi et.al J. Phys: Condens Matter 21, 395502 (2009)