Creation of functional metastable silicon-based multiple element materials by controlling light elements
Project/Area Number |
20H00303
|
Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
|
Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 一般 |
Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
|
Research Institution | Nagoya University |
Principal Investigator |
宇佐美 徳隆 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20262107)
|
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大山 研司 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (60241569)
|
Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
Budget Amount *help |
¥46,150,000 (Direct Cost: ¥35,500,000、Indirect Cost: ¥10,650,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥27,170,000 (Direct Cost: ¥20,900,000、Indirect Cost: ¥6,270,000)
|
Keywords | 多元混晶 / 軽元素 / 局所構造 / 白色中性子ホログラフィー |
Outline of Research at the Start |
本研究では、印刷・焼成からなるシリコンゲルマニウム混晶の独自成長プロセスを、スズと水素を含む多元素化と非平衡化に拡張し、ハイスループット実験にデータ科学を援用する新たな方法論により、準安定な高スズ組成と水素終端による高性能化を同時達成する多変量パラメータを効率的に決定する。この過程において、スズ位置の確定と置換率の定量評価の確実な実施に加え、白色中性子ホログラフィーの高度化により局所構造観測範囲を薄膜中の水素に拡大することに挑戦し、機能発現要因の解明を進める。
|
Outline of Annual Research Achievements |
半導体材料を含む特殊なぺーストを印刷した半導体単結晶基板を非真空下で熱処理するというシンプルなプロセスをベースに、高品質シリコン系多元混晶薄膜の成長技術の開発に取り組んでいる。本年度は、アルミニウムとゲルマニウムの合金粒子を含むペーストを用いたシリコンゲルマニウム混晶薄膜の成長において、短パルスレーザ熱処理により、シリコンゲルマニウム混晶を急速成長させ、レーザ照射条件の影響を調査した。レーザ照射後に選択エッチングにより表面のアルミニウム残留物を除去し、走査型電子顕微鏡、共焦点レーザ顕微鏡、顕微ラマン分光により構造解析を行った。その結果、表面形状とゲルマニウムの組成や膜中の歪み分布に強い相関があることを見出した。その要因として、レーザ溶融プロセスのシミュレーションを行うことで、表面のマランゴニ対流や表面エネルギーの観点から解明を進めた。また、短パルス化によるゲルマニウムの高濃度化を観測し、スズを含む混晶の非平衡プロセス設計に対し有用な知見が得られた。また、平衡成長で作製したゲルマニウムスズ薄膜、シリコンスズ薄膜を対象として、放射光X線施設SPring-8での原子分解能ホログラフィー実験を実施した。スズ周囲の原子像を可視化することで、格子中でのスズの位置を検証した。その結果、スズがゲルマニウム、シリコンの格子位置を置換することを検証し、格子間に存在する可能性は非常に小さいことを示した。一方、物質中の水素位置を確定する手法として、大強度陽子加速器施設J-PARCでの強力な白色中性子を用いたホログラフィー実験を大強度モードで行う環境を整備し、水素化パラジウム単結晶において水素の像が検出されることを初めて確認した。この測定のため、令和3年度までに導入した多検出器系遮蔽体の最適化をモンテカルロシミュレーションで行い、実機の設計を行い、データ精度の大幅な向上に成功した。
|
Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シリコンゲルマニウム薄膜成長をモデルとした短パルスレーザ加熱による急速成長プロセスについて、系統的にレーザ照射条件を変化させて実験と、構造評価、シミュレーションを連携させることで、成長メカニズムや組成制御についての知見が蓄積された。これらの知見は、次年度における非平衡成長を利用した高性能多元混晶材料の創製にいかされる。また、放射光施設での蛍光X線ホログラフィー実験の成果は、研究を進めている大学院生が国際ワークショップに招待され、口頭発表を行うなど高い評価を受けている。さらに、これまで進めてきた多検出器系の整備・高度化により、バルク結晶においての中性子ホログラフィーで水素観測に初めて成功した。以上のような成果から、おおむね順調に進展していると判断した。
|
Strategy for Future Research Activity |
シリコン系多元混晶薄膜の成長においては、短パルスレーザ加熱によりスズを含む混晶材料の成長を進める。構造評価に加えて光学特性評価を進め、シリコン単体では得ることのでいない優れた物性の発現を実証することを目指す。ホログラフィー実験では、薄膜試料での原子像再生のため、実際に薄膜試料での測定を行い、ホウ素など観測が容易な添加元素周りの原子像再生に挑戦する。薄膜試料観測は中性子ホログラフィーでは世界的にも初めての挑戦となる。これにより水素終端の位置決定の実験へ道が開ける。
|
Report
(4 results)
Research Products
(22 results)
-
-
[Journal Article] Determination of site occupancy of boron in 6H-SiC by multiple-wavelength neutron holography2022
Author(s)
Kouichi Hayashi, Maximilian Lederer, Yohei Fukumoto, Masashi Goto, Yuta Yamamoto, Naohisa Happo, Masahide Harada, Yasuhiro Inamura, Kenichi Oikawa, Kenji Ohoyama, and Peter Wellmann
-
Journal Title
Appl. Phys. Lett.
Volume: 120
Issue: 13
Pages: 132101-132101
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
-
[Presentation] Verification of Sn position in Sn-doped Si,Ge thin film solar cell materials by X-ray fluorescence holography2022
Author(s)
S. Hoshi, T. Kanno, M. Takano, W. Keiko, Y. Kobayashi, Y. Tomimatu, K. Kimura, N. Happo, S. Suzuki, M. Dhamrin, K. Fukuda, S. Miyamoto, N. Usami, K. Hayashi, K.Ohoyama
Organizer
33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
Related Report
Int'l Joint Research
-
-
[Presentation] Study of local structures in Sn doped Si,Ge thin film for evaluation of Sn concentration2022
Author(s)
S. Hoshi, T. Kanno, M. Takano, W. Keiko, Y. Kobayashi, Y. Tomimatu, K. Kimura, N. Happo, S. Suzuki, M. Dhamrin, K. Fukuda, S. Miyamoto, N. Usami, K. Hayashi, K.Ohoyama
Organizer
International Workshop on Exploration of Atomistic Disorder in Long-Range Ordered Systems and of Order in Disordered Materials
Related Report
Int'l Joint Research / Invited
-
[Presentation] 太陽電池材料SnドープSi,Ge薄膜での局所構造観測によるSn置換量の定量評価への試み2022
Author(s)
星翔太, 菅野友哉, 高野元輝, Keiko Widyanisa, 小林洋大, 富松優花, 木村耕治, 八方直久, 鈴木紹太, ダムリン マルワン, 福田啓介, 宮本聡, 宇佐美徳隆, 林好一, 大山研司
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会
Related Report
-
-
-
-
-
-
[Presentation] 太陽電池材料SnドープSi,Ge薄膜の活性サイト位置のSn量の定量評価2021
Author(s)
星翔太, 菅野友哉, 高野元輝, Keiko Widyanisa, 小林洋大, 富松優花, 木村耕治, 八方直久, 鈴木紹太, ダムリンマルワン, 福田啓介, 宮本聡, 宇佐美徳隆, 林好一, 大山研司
Organizer
日本中性子科学会科学会第21回年会
Related Report
-
[Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる太陽電池材料SnドープSiGe薄膜の局所構造観測2021
Author(s)
星翔太, 菅野友哉, 高野元輝, 荒瀬将太朗, 石崎嵩人, 野田新太, 木村耕治, 八方直久, 中原正博, ダムリン マルワン, 宇佐美徳隆, 林好一, 大山研司
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
Related Report
-
[Presentation] 白色中性子ホログラフィーの多検出器系の効果2021
Author(s)
KEIKO WIDYANISA, 小林 洋大, 富松優花, 荒瀬 将太朗, 石﨑 嵩人, 野田 新太, 菅野 友哉, 高野元輝, 星 翔太, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林好一, 大山 研司
Organizer
日本中性子科学会科学会第21回年会
Related Report
-
-
-
-
[Presentation] 原子分解能ホログラフィーを用いた太陽電池材料 SnドープSi薄膜のSn位置の決定2020
Author(s)
星 翔太, 菅野 友哉, 高野 元輝, 荒瀬 将太郎, 石崎 嵩人, 野田 新太, 木村 耕一, 八方 直久, 中原 正博, ダムリン マルワン, 林 好一, 大山 研司, 宇佐美 徳隆
Organizer
日本中性子科学会2020年年会
Related Report
-
[Presentation] 白色中性子ホログラフィーの最近の進展と次の展開2020
Author(s)
大山 研司, 杉本 和哉, 山本 隆文, 荒瀬 将太朗、石﨑嵩人, 野田 新太, 菅野 友哉, 高野 元輝, 星 翔太, 八方 直久, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林 好一
Organizer
日本中性子科学会2020年年会
Related Report
-