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2017 Fiscal Year Annual Research Report

フォノン科学による特異構造3次元分光評価と応用欠陥物性

Planned Research

Project AreaMaterials Science and Advanced Elecronics created by singularity
Project/Area Number 16H06425
Research InstitutionChiba University

Principal Investigator

石谷 善博  千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60291481)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 篠塚 雄三  和歌山大学, システム工学部, 教授 (30144918)
MA BEI  千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (90718420)
Project Period (FY) 2016-06-30 – 2021-03-31
Keywords特異構造 / フォノン / 深い準位 / 複合材料 / エネルギー局在
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、フォノン系に着目した結晶欠陥を中心とする結晶構造解析およびフォノン制御を行う特異構造の提案、キャリアダイナミクス評価・制御方法の提案を目的としている。平成28年度はフォノンダイナミクスに基づく結晶特異構造の実験的・理論的評価基盤の整備を目的に設定した。
H29年度、赤外分光特異構造評価では表面フォノンポラリトン、表面からは通常観察できない金属裏側の金属半導体界面ポラリトンが観測され、これらを用いた界面評価が可能であることが分かった。また金属半導体ライン/スペースのストライプ構造からの全半値幅11/cmの急峻なTHz輻射に成功し、界面分極状態の評価にこれを応用できると考えられる。
励起子ダイナミクスでは、フォノン過程を取り入れた空間の全エネルギーダイナミクスを解析するコードが構築され、励起子の発光寿命の決定要因についてこれまで見落とされていた高次励起子準位へのポピュレーション分布によるライフタイム増加が起こることが分かった。また深い準位を形成する欠陥においてエネルギー局在状態を評価する手法について、禁制帯幅以下のエネルギーを持つレーザによるフォトルミネッセンス解析により可能となること、バンド間励起を行わないことが肝要であることが分かった。
共焦点ラマン分光による3次元欠陥構造評価では、長時間の測定を可能とする試料台の安定化、ルミネッセンス成分の精度良い差し引きから微小信号を取り出すためのソフトウエアの改造がなされ、GaInNの組成不均一のある場における熱輸送の解析が可能であることが実験的に明らかになった。フォノン輸送制御にでは、第一原理計算により求めた原子間の力定数に基づいて分子動力学法によるフォノン輸送解析がなされ、GaNのGa空孔においてN空孔より多くのフォノンエネルギーがトラップされることが分かった。
以上、特異構造におけるフォノン過程の解明を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

非熱平衡励起子系のフォノン過程・電子衝突過程・励起子衝突過程を取り入れたコードが構築された。今後欠陥効果の導入、量子構造への展開が可能になった。フォノン輸送では分子動力学法による計算コードが製作され、欠陥構造によるエネルギー局在性を議論できるようになった。コードの改善が必要であるが議論をすることが可能になった。ラマン分光装置では導入後、試料台の長時間(数日)の位置安定化、PL成分の精度良いっし引きのためのソフトウエア変更などがなされ、空間的熱輸送を示すデータが出始めた。構造欠陥における格子振動状態の解析が進んだ。赤外分光では金属半導体界面の界面ポラリトンの閉じ込め状態などが解明され、赤外分光の方法論が拡張され、特異構造評価手法が広がった。これらのことから研究がおよそ順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

H30年度以降では、改造されたラマン分光装置を用いて、GaInNやAlInNの熱輸送メカニズムの解明とヘテロ界面を用いた熱輸送制御法の提案、様々な結晶欠陥における熱局在状態の解明と非輻射再結合や欠陥増殖との関連の解明を理論・実験両面から進める。THz領域でのLOフォノン共鳴発光の発現を利用してLOフォノン放出構造の導入による励起子安定化の可能性を検討する。また結晶欠陥におけるエネルギー局在の違いを欠陥ごとに分類し、結晶欠陥を用いたエネルギー制御法への展開を図る。これらによりエネルギー局在による量子井戸からの電子・正孔取り出し効率の向上など素子特性制御につながるフォノンダイナミクス制御物理の開拓とそのための構造評価を進める。
また、フォノンが主体となったTHz域から中赤外域の発光現象につちいても構造依存性を明らかにし特異な構造を持つ場におけるフォノンと輻射の結合を強め、また量子干渉を効率的に起こす構造の検討を進め赤外域での特異構造の展開も進める。

  • Research Products

    (34 results)

All 2018 2017 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 7 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Terahertz pulse generation by the tilted pulse front technique using an M-shaped optical system2018

    • Author(s)
      Ken Morita, Kento Shiozawa, Koji Suizu, and Yoshihiro Ishitani
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Pages: 050304-1,-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.050304

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electric-dipole absorption resonating with longitudinal optical phonon-plasmon system and its effect on dispersion relations of interface phonon polariton modes in metal/semiconductor-stripe structures2017

    • Author(s)
      Hironori Sakamoto, Eito Takeuchi, Kouki Yoshida, Ken Morita, Bei Ma, and Yoshihiro Ishitani
    • Journal Title

      Journal of Physics D

      Volume: 51 Pages: 015105-1, -10

    • DOI

      10.1088/136-6463/aa9918

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Population decay and distribution of exciton states analyzed by rate equations based on theoretical phononic and electron-collisional rate coefficients2017

    • Author(s)
      Kensuke Oki, Bei Ma, and Yoshihiro Ishitani
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 96 Pages: 205204-1, -15

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.96.205204

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles calculation of electron-phonon coupling at a Ga2017

    • Author(s)
      T. Tsujio, M. Oda, and Y. Shinozuka
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 56 Pages: 091001

    • DOI

      10.7567/JJAP.56.091001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electronic structure calculation of Si1-xSnx compound alloy using interacting quasi-band theory2017

    • Author(s)
      M. Oda, Y. Kuroda, A. Kishi, and Y. Shinozuka
    • Journal Title

      Phys. Status Solidi B

      Volume: 254 Pages: 1600519

    • DOI

      10.1002/pssb201600519

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Statistics of excitonic energy states based on phonon-exciton-radiation model2018

    • Author(s)
      Yoshihiro Ishitani
    • Organizer
      International Workshop on Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optical absorption and emission in THz-mid infrared region of metal-semiconductor composites2018

    • Author(s)
      Yoshihiro Ishitani
    • Organizer
      Nano ST 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] フォノンプロセスを考慮した励起子ダイナミクス解析(PXRモデル)2018

    • Author(s)
      石谷善博,大木健輔,野町健太郎,馬ベイ,森田健
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] GaN,AlN,ZnOにおける励起子の非熱平衡解析2018

    • Author(s)
      大木健輔、野町健太郎、西川智秀、馬ベイ、森田健、石谷善博
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 半導体/金属ストライプ構造における電気双極子形成に伴う誘電関数変化2018

    • Author(s)
      坂本裕則,馬ベイ, 森田健, 石谷善博
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] GaAs/Auストライプ構造を用いたLOフォノン共鳴の赤外光輻射2018

    • Author(s)
      青木伴晋,花田昂樹,坂本裕則,馬ベイ,森田健,石谷善博
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Monte-Carlo simulation of time- and spatial-dynamics for electron spins in GaAs under the high-power THz pulse2018

    • Author(s)
      Ichirota Takazawa、Yoshihiro Ishitani、Ken Morita
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] ワイドギャップ半導体キャリア・フォノンダイナミクス2018

    • Author(s)
      石谷善博,大木健輔,野町健太郎,馬ベイ,森田健
    • Organizer
      第13回励起ナノプロセス研究会
    • Invited
  • [Presentation] 化合物半導体電子状態の混晶化による変容2018

    • Author(s)
      篠塚 雄三
    • Organizer
      第13回励起ナノプロセス研究会
    • Invited
  • [Presentation] (ZnO)x(InN)1-x混晶半導体の電子状態の理論2018

    • Author(s)
      古木 凌太、小田 将人、篠塚 雄三
    • Organizer
      応用物理学会2018年春季学術講演会
  • [Presentation] Introduction of biexciton processes into exciton dynamics simulation for GaN based on the phononic-excitonic-radiative model2017

    • Author(s)
      Kentaro Nomachi, Ma Bei, Ken Morita, and Yoshihiro Ishitani
    • Organizer
      International Workshop on UV materials and devices
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Interface phonon polariton propagation and LO phonon-resonant absorption of infrared light in AlN/metal-composites2017

    • Author(s)
      H. Sakamoto Hironori Sakamoto, Bei Ma, Ken Morita and Yoshihiro Ishitani
    • Organizer
      The 12th International Conference on Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theoretical calculation of rate coefficients, densities, and decay time of excitons and free carriers in GaN2017

    • Author(s)
      Kensuke Oki, Kentaro Nomachi, Bei Ma, Ken Morita, and Yoshihiro Ishitani
    • Organizer
      The 12th International Conference on Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simulation of carrier-exciton-phonon energy transportation in GaN2017

    • Author(s)
      Bei Ma, Yoshihiro Ishitani
    • Organizer
      The 12th International Conference on Nitride Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dielectric interaction of infrared light and electron-phonon coupling system in metal/semiconductor composites2017

    • Author(s)
      E. Takeuchi, H. Sakamoto, B. Ma, K. Morita, and Y. Ishitani
    • Organizer
      Compound Semiconductor Week
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photonic function based on longitudinal optical phonon modes of semiconductors: infrared absorption control of composite materials and destructive quantum interferences2017

    • Author(s)
      Y. Ishitani, H. Sakamoto, B. Ma, and K. Morita
    • Organizer
      EMN Optoelectronics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] General Trends in Electronic Structures of III-V and II-VI Alloys Based on the Interacting-Quasi-Band Theory2017

    • Author(s)
      Yuzo Shinozuka
    • Organizer
      Compound Semiconductor Week 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First-principles Calculation of Electronic States of Ga2O32017

    • Author(s)
      Y. Nakano, M. Oda, and Y. Shinozuka
    • Organizer
      International Conference of Deftcts in Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of Surface Substituents on Electronic Structures of a2017

    • Author(s)
      M. Oda
    • Organizer
      9th International Conference on Materials for Advanced Technologies
  • [Presentation] Electron-phonon coupling at a Ga vacancy in GaN2017

    • Author(s)
      T. Takeshi, M. Oda, and Y. Shinozuka
    • Organizer
      9th International Conference on Materials for Advanced Technologies
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electronic Structures of a Cerasome Surface Model2017

    • Author(s)
      M. Oda
    • Organizer
      Symposium on Surface Science & Nanotechnology -Kansai
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 窒化物半導体における電子‐フォノン相互作用と結晶性2017

    • Author(s)
      石谷 善博、馬 ベイ、大木 健輔、坂本 裕則、森田 健
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] p型GaNにおける深い準位を介した発光特性の解析2017

    • Author(s)
      庄司凌,上原大侑, 馬ベイ, 森田健, 石谷善博 , 塩島謙次
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] AlN 薄膜を用いたLOフォノン共鳴電気双極子形成および表面ポラリトン伝搬2017

    • Author(s)
      坂本 裕則、馬 ベイ、森田 健、石谷 善博
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] FDTD法を用いたテラへルツパルス発生のシミュレーション2017

    • Author(s)
      大隅 勇汰、森田 健、石谷 善博
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] フォノンによるGaN励起子ダイナミクス過程への影響2017

    • Author(s)
      馬ベイ, 石谷善博
    • Organizer
      第9回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
    • Invited
  • [Presentation] AlN/金属ストライプ構造における表面、界面ポラリトンモード観測2017

    • Author(s)
      坂本裕則,馬ベイ, 森田健, 石谷善博
    • Organizer
      第9回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
  • [Remarks] 量子デバイス物性研究室

    • URL

      http://photonics.te.chiba-u.jp/index.html

  • [Remarks] 特異構造の結晶科学

    • URL

      http://tokui.org/

URL: 

Published: 2018-12-17  

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