平面構造のケイ素系ディラック物質を理論設計：大気中でも取り扱える材料に

東北大学は、スパコンを用いた第一原理計算により、安定な平面構造のケイ素系ディラック物質（BeSi2）を理論設計することに初めて成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

スマホやPC向け超高速電子デバイスなどへの応用に期待

　東北大学大学院理学研究科物理学専攻の高橋まさえ特任研究員は2023年8月、スパコンを用いた第一原理計算により、安定な平面構造のケイ素系ディラック物質（BeSi₂）を理論設計することに初めて成功したと発表した。

　グラフェンに代表されるディラック物質のバンド構造は、ディラック錐と呼ばれる2つの円すいが、ディラック点で連結した形となっている。この電子構造によって、ディラック物質中の電子は、光速に近い速度で運動しているという。こうした特長を生かし、スマートフォンやPCに向けた超高速電子デバイスなどへの応用が期待されている。ところが、グラフェンを構成する炭素をケイ素に置き換えた「シリセン」は、凹凸構造のため大気中において酸化分解し、実用化には適さないという。

　今回の研究では、シリセンにベリリウム（Be）を結合させることで平面構造とし、大気中でも取り扱える材料とした。設計したBeSi₂は、ひし形の単位胞にベリリウムテトラニトリド（BeN₄）と同じ数の電子（32個／単位胞）を有し、グラフェンのハニカム構造に似た六角形の構造をしている。

ディラック物質の電子バンド構造［クリックで拡大］ 出所：東北大学

BeSi₂の構造［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　得られた平面構造の二次元結晶は、安定に存在できるという。弾性率テンソルはBorn-Huangの基準を満たし、機械的作用による衝撃に対しても安定である。電子バンド構造は、グラフェンなど多くの二次元物質と異なり、異方性ディラック物質であることを明らかにした。

　しかもBeSi₂は、ケイ素一次元鎖がBeで架橋された構造であり、「鎖方向」と「鎖に垂直な方向」という違いが異方性を生み出しているという。例えば、「ケイ素鎖方向」における電子のフェルミ速度は、「鎖に垂直な方向」より速い。ヤング率でみると「ケイ素鎖方向」が「鎖に垂直な方向」よりも柔らかいことが分かった。さらに、ケイ素一次元鎖はケイ素結合長に長短がなく、電気伝導を担う電子は一次元鎖全体わたって非局在化していることを明らかにした。

BeSi₂のディラック点を通過する一次元鎖に、平行および垂直方向の電子バンド構造［クリックで拡大］ 出所：東北大学

BeSi₂における面内ヤング率の極座標図［クリックで拡大］ 出所：東北大学