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圓谷 志郎; Antipina, L. Y.*; Avramov, P.*; 大伴 真名歩*; 松本 吉弘*; 平尾 法恵; 下山 巖; 楢本 洋*; 馬場 祐治; Sorokin, P. B.*; et al.
Nano Research, 8(5), p.1535 - 1545, 2015/05
被引用回数：26 パーセンタイル：71.65(Chemistry, Physical)Direct growth of graphene on insulators is expected to yield significant improvements in performance of graphene-based electronic and spintronic devices. In this study, we successfully reveal atomic arrangement and electronic properties of the coherent heterostructure of single-layer graphene and 
-Al
O
(0001). In the atomic arrangement analysis of single-layer graphene on -AlO(0001), we observed apparently contradicting results. The in-plane analysis shows that single-layer graphene grows not in the single-crystalline epitaxial manner but in the polycrystalline form with two strongly pronounced preferred orientations. This suggests the relatively weak interfacial interactions to be operative. But, we demonstrate that there exists unusually strong physical interactions between graphene and -AlO(0001), as evidenced by the short vertical distance between graphene and -AlO(0001) surface. The interfacial interactions are shown to be dominated by the electrostatic force involved in the graphene 
-system and the unsaturated electrons of the topmost O layer of -AlO(0001) rather than the van der Waals interactions. Such feature causes hole doping into graphene, which gives graphene a chance to slide on the -AlO(0001) surface with a small energy barrier despite the strong interfacial interactions.
interface in the Fe-doped C film境 誠司; 松本 吉弘; 大伴 真名歩; 圓谷 志郎; Avramov, P.; Sorokin, P. B.*; 楢本 洋*
Synthetic Metals, 173, p.22 - 25, 2013/06
被引用回数：2 パーセンタイル：10.3(Materials Science, Multidisciplinary)A process of tunneling conduction and the spin-dependent resistivity change (so-called tunneling magnetoresitance effect) in the Fe-doped C film with a granular structure is investigated for the current-into-plane device. Cooperative tunneling (cotunneling) through several Fe nanoparticles is suggested to be operative at temperatures lower than 20 K. By considering the effect of cotunneling on the magnetoresistance ratio, it is successfully shown that the spin polarization of tunneling electrons generated at the Fe/C interface is much higher than that in Fe crystal at low temperature in a similar fashion to that at the Co/C interface in the Co-doped C films. A strong temperature dependence of spin polarization is observed, suggesting possible influences by the thermally-induced disorders ascribed in the Fe atoms bonded with C in the C-Fe compound.
Avramov, P.; Fedorov, D. G.*; Sorokin, P. B.*; 境 誠司; 圓谷 志郎; 大伴 真名歩; 松本 吉弘; 楢本 洋*
Journal of Physical Chemistry Letters (Internet), 3(15), p.2003 - 2008, 2012/08
被引用回数：36 パーセンタイル：79.49(Chemistry, Physical)The atomic and electronic structure of narrow zigzag nanoribbons with finite length, consisting of graphene terminated by fluorine on one side, hexagonal (
)-BN, and -SiC were studied with density functional theory. It is found that the asymmetry of nanoribbon edges causes a uniform curvature of the ribbons due to structural stress in the aromatic ring plane. Narrow graphene nanoribbons terminated with fluorine on one side demonstrate a considerable out-of-plane bend, suggesting that the nanoribbon is a fraction of a conical surface. It is shown that the intrinsic curvature of the narrow nanoribbons destroys the periodicity and results in a systematic cancellation of the dipole moment. The in- and out-of-plane curvature of thin arcs allows their closure in nanorings or cone fragments of giant diameter.
Antipina, L. Y.*; Avramov, P.; 境 誠司; 楢本 洋*; 大伴 真名歩; 圓谷 志郎; 松本 吉弘; Sorokin, P. B.*
Physical Review B, 86(8), p.085435_1 - 085435_7, 2012/08
被引用回数：52 パーセンタイル：86.87(Materials Science, Multidisciplinary)The graphane with chemically bonded alkali metals (Li, Na, K) was considered as potential material for hydrogen storage. The ab initio calculations show that such material can adsorb as many as four hydrogen molecules per Li, Na, and K metal atom. These values correspond to 12.20, 10.33, and 8.56 wt% of hydrogen, respectively, and exceed the DOE requirements. The thermodynamic analysis shows that Li-graphane complex is the most promising for hydrogen storage with ability to adsorb three hydrogen molecules per metal atom at 300 K and pressure in the range of 5-250 atm.
Chernozatonskii, L. A.*; Sorokin, P. B.*; Kuzubov, A. A.*; Sorokin, B. P.*; Kvashnin, A. G.*; Kvashnin, D. G.*; Avramov, P.; Yakobson, B. I.*
Journal of Physical Chemistry C, 115(1), p.132 - 136, 2011/01
被引用回数：80 パーセンタイル：88.67(Chemistry, Physical)The atomic structure and physical properties of quasi 2D diamanes (few-layered oriented diamond nanocrystals, covered by hydrogen atoms from both sides) are studied using electronic band structure calculations. It was shown that energy stability linear increases upon increasing of the thickness of proposed structures. All 2D carbon nanoclusters display direct dielectric band gaps with nonlinear quantum confinement response upon the thickness. Elastic properties of diamanes reveal complex dependence upon increasing of the number of 
111
layers. All theoretical results were compared with available experimental data.
Avramov, P.; Fedorov, D. G.*; Sorokin, P. B.*; Chernozatonskii, L. A.*; Gordon, M. S.*
Journal of Physical Chemistry C, 111(51), p.18824 - 18830, 2007/12
被引用回数：12 パーセンタイル：39.94(Chemistry, Physical)内部に任意の大きなフラーレン型の空間を持つ安定なSiナノクラスターファミリーを系統的に構築した。さらに、5員環,6員環接合を介してこれらのナノクラスターを結合することによって複合構造をデザインした。提案した物質の原子配置と電子構造を半経験的量子力学的手法を用いて計算した。それぞれのファミリー内でバンドギャップと安定性はクラスターの実効的な大きさに反比例することが明らかになった。クラスターは、親となるシリコンフラーレンから受け継いだ非常にバラエティに富む構造と対称性を持つ。複合体は、接合に関係する特異な電子構造を持った擬分子のように電子を閉じ込める。量子ドットとその複合体はその内部空間にゲスト原子を内包しうる。それゆえ、電子特性を制御可能で有望な新規ナノ材料を提供しうる。
Avramov, P.; Chernozatonskii, L. A.*; Sorokin, P. B.*; Gordon, M. S.*
Nano Letters, 7(7), p.2063 - 2067, 2007/07
被引用回数：13 パーセンタイル：51.77(Chemistry, Multidisciplinary)経験的スキームを使って、20面体状中心核(Si-IC)とその頂点から伸びる5角形の花びら(Si-PP)をベースに新奇なシリコンナノクラスターを作り上げた。Si-IC/Si-PP界面が形成される方がエネルギー的に好ましいことがわかった。また、実際に観測されているシリコンナノ構造の幾つかは本研究で提案するナノ構造の存在により説明できる。さらに、拡張ヒュッケル法による電子構造計算によって、本研究で提案したナノ構造がナノスケールのトンネル接合として振る舞う可能性を示した。
quantum nanodots and nanowiresAvramov, P.; Kuzubov, A. A.*; Fedorov, A. S.*; Sorokin, P. B.*; Tomilin, F. N.*; 前田 佳均
Physical Review B, 75(20), p.205427_1 - 205427_8, 2007/05
被引用回数：18 パーセンタイル：60.66(Materials Science, Multidisciplinary)本研究では、狭い界面を持つ5角形のSi/SiO量子ナノドット(QDs,直径1.6nm)及びナノワイヤ(NWs)を提案し、元となるシリコンの準安定構造(直径1.2nm)とともに、その原子構造と電子構造を、クラスター近似B3LYP/6-31G
及び周期的境界条件(PBC)平面波近似(PW)擬ポテンシャル(PP)局所密度近似法を用いて計算した。最も小さい擬球状QD(Si
)の全状態密度(TDOS)はPBC PW PP LDAで計算した結晶性シリコンのTDOSによく一致した。伸長したSiQDsとSiNWsは金属的特性を持った電子構造を示す。しかし、表面に酸化層を持つとSi/SiOクラスターのTDOS中にバンドギャップができる。これらの粒子の価電子帯の上端と伝導帯の底は、核となるSiに由来した電子状態によって形成される。理論的に予測されるバンドギャップの幅は、Si/SiOクラスターの長さによって決定され、さらに、シリカに埋め込まれたナノシリコンのフォトルミネッセンススペクトルにおけるサイズ効果を高い精度で説明できる。
Avramov, P.; Sorokin, P. B.*; Fedorov, A. S.*; Fedorov, D. G.*; 前田 佳均
Physical Review B, 74(24), p.245417_1 - 245417_8, 2006/12
被引用回数：18 パーセンタイル：61.42(Materials Science, Multidisciplinary)Siで置き換えた炭素ナノチューブ,SiCシート、そして一連の単層SiCナノチューブの原子構造と電子構造を平面波近似を用いた局所密度近似法によって計算した。金属的な(8,8)単層炭素ナノチューブ(SWCNT)では、C原子をSi原子で順に置き換えていくとバンドギャップが生じ、Siの濃度に依存してほぼ2次関数的にバンドギャップが大きくなっていく。半導体的な(10,0)SWCNTの場合は、Si濃度が
25%でバンドギャップが最小(0.27eV)になる。Si濃度が12-18%の領域では、いずれのタイプのナノチューブも
-点において0.5eVより小さい直接型バンドギャップを持つ。キラル型(8,2)SWSi
C
NTは、同様の直接型バンドギャップ(0.6eV)を持つ。時間に依存する密度汎関数法によって、Siでの置き換えが近赤外領域における光学遷移の全確率をほぼ一桁増やすことを示した。これは、金属的SWCNTにおける直接型バンドギャップの生成,あらゆるSWCNTのバンドギャップとその性質の統合,動径方向の積分Si3
Si3
が大きいこと、及び価電子帯・伝導帯の双方で化学結合にSi3
状態が寄与することによって引き起こされる。
clusters, nanoparticles and nanowiresAvramov, P.; Kuzubov, A. A.*; Fedorov, A. A.*; Tomilin, F. N.*; Sorokin, P. B.*
no journal, ,
シリカのナノクラスターSi
O
はSi/SiOナノ物質の前駆物質であり、その合成において重要な役割を果たす。本研究では、まず、SiO(m=2, 3, n=1-5)の生成と異性化について、その反応経路を6-31G(d)基底関数系を使った2次のMoller-Plesset摂動論(MP2)を用いて計算した。多くの異性化反応について遷移状態が存在することがわかったものの、分離された反応物からのクラスターの形成については、SiOとSiO
についてのみ遷移状態が見いだされた。次に、密度汎関数法(B3LYP/6-31G)及び、周期的境界条件,擬ポテンシャル,平面波近似を用いた局所密度近似法を用いて、Si及びSi/SiOからなる量子ドット,ナノワイヤの電子構造を計算した。SiナノワイヤとSi量子ドットは、その多結晶性によりすべて金属的な電子状態を示すことがわかった。また、Siナノワイヤの表面に酸化によってSiOが存在するとSi/SiOナノワイヤの構造はすべて安定になり、SiOの存在によってバンドギャップ(1.4eV)を持つようになる。これらのSi/SiOナノ物質の価電子帯の上端と伝導帯の底は、おもにSiのp軌道で形成される。
境 誠司; 松本 吉弘; 圓谷 志郎; 大伴 真名歩; Sorokin, B. P.*; Avramov, P.; 楢本 洋*; 桜庭 裕弥*; 高梨 弘毅
no journal, ,
近年、有機分子やナノカーボン物質を用いた分子スピントロニクスが注目されている。発表者らはナノカーボン物質と磁性金属との界面に着目し、分光手法を用いることにより同界面の電子・スピン状態を明らかにしてきた。これらの成果をもとにスピン素子を設計し、スピン輸送特性の探索を行っている。今回、C-磁性金属グラニュラー薄膜及びグラフェンに関するスピン輸送特性・スピン分光の研究成果を発表する。C-磁性金属グラニュラー薄膜では、巨大トンネル磁気抵抗効果を示すことを明らかにし、同効果がC-磁性金属化合物/磁性金属微結晶界面における伝導電子の高スピン偏極率に起因することを明らかにした。また、グラフェン/磁性金属界面では、単層グラフェンと2層以上のグラフェンにおいて、磁性金属との界面相互作用が異なることを明らかにした。
圓谷 志郎; Sorokin, B. P.*; Avramov, P.; 大伴 真名歩; 松本 吉弘; 成田 あゆみ; 平尾 法恵; 下山 巖; 関口 哲弘; 楢本 洋*; et al.
no journal, ,
近年、サファイアなどの絶縁体基板上にグラフェンを成長する試みが広く行われている。従来の触媒金属上への化学気相蒸着法によるグラフェン成長と異なり、成長後にグラフェンシートの絶縁体基板への転写プロセスを経ることなく素子化が可能になるため、基礎及び応用の観点から有望視されている。今回、同界面の原子構造・相互作用を直入射X線定在波法により明らかにした。グラフェン層のサファイア表面からの垂直方向の距離は2.6Aと見積もられた。これは分子間力が支配的であるバルクグラファイト中のグラフェンシートの層間距離やグラフェン/Ir(111)の界面距離(それぞれ約3.4A)よりも著しく小さい。グラフェン/サファイア界面における分子間力を超える相互作用の存在が示唆された。
圓谷 志郎; Sorokin, B. P.*; Avramov, P.; 大伴 真名歩; 松本 吉弘; 成田 あゆみ; 平尾 法恵; 下山 巖; 関口 哲弘; 楢本 洋*; et al.
no journal, ,
We have studied the vertical atomic structure of a single-layer graphene/a-AlO(0001) interface with element-sensitive normal incident X-ray standing wave spectroscopy. The vertical distance at the interface measures 0.26 nm. We consider that the small distance is caused by the strong interaction at the interface. An ab initio atomic and electronic structure calculation supports the existence of the strong interaction that originates from the electrostatic interaction between graphene -system and unsaturated electrons of surface oxygen layer rather than van der Waals interaction.
圓谷 志郎; Sorokin, P. B.*; Avramov, P.*; 大伴 真名歩; 松本 吉弘; Antipina, L. Y.*; 平尾 法恵; 下山 巖; 楢本 洋*; 馬場 祐治; et al.
no journal, ,
Recently, graphene has proved interesting for nanoelectronics and spintronics. Direct growth of graphene on insulator substrates is currently one of the most important subjects for development graphene-based devices. In the present study, single-layer graphene was directly grown on an atomically flat a-AlO(0001) substrate and its atomic structure was investigated by element-specific normal incident X-ray standing wave spectroscopy. It is revealed that graphene is adjacent to the oxygen atoms which constitute the topmost layer of a-AlO(0001) at the interface. The vertical distance between graphene and a-AlO(0001) is determined to be 0.26 nm, suggesting strong interfacial interactions rather than van der Waals interactions. Raman and X-ray photoelectron spectroscopy indicate heavy hole doping in graphene as well as non-chemical interactions at the interface. Theoretical calculations reveal that these situations are resulted from the electrostatic interaction between the graphene pi system and unsaturated electrons of the topmost oxygen layer.
境 誠司; Sorokin, B. P.*; 圓谷 志郎; 楢本 洋*; 四谷 晋太郎*; 安藤 和也*; 山内 泰*
no journal, ,
グラフェンは優れたキャリア/スピン輸送特性を兼備する材料としてスピントロニクスへの応用が期待されている。最近、グラフェン内部のスピン流の新しい制御手段としてグラフェン/酸化物磁性体界面における磁気近接効果の利用が提唱されている。本研究では、磁気近接効果の確証を得ることを目的に、単原子層グラフェンと絶縁体の酸化物磁性体であるイットリウム鉄ガーネットとの界面の電子スピン状態を調べた。スピン偏極He原子脱励起分光法を用いた実験の結果、界面にあるグラフェンに電子スピンの向きの偏り(スピン偏極)が生じていることが初めて明らかになった。スピン偏極はグラフェンのバンド内でエネルギーと共に振動的に増減し、フェルミレベルではガーネットの多数スピンと同じ向きに偏極していることが分かった。本研究により存在が明らかになったスピン偏極などの磁気近接効果は、グラフェン内部のスピン流の制御に利用可能であり、将来のスピントロニクス素子への応用に繋がることが期待できる。
