ピコ秒時間分解X線回折による構造相転移のダイナミクス解析

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450265
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 近藤 建一 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (50111670)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 弘中 陽一郎 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助手 (20293061) ; 中村 一隆 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助教授 (20302979)
• Keywords: フェムト秒レーザー / レーザー吸収 / X線回折 / 時間分解測定 / シリコン / オージェ再結合 / プラズマ臨界密度 / 衝撃波

Research Abstract

本研究は、ポンプ・プローブ型ピコ秒パルスX線回折法を幾つかの温度・圧力誘起相転移物質に応用し、その相転移課程の結晶格子歪み変化と結晶構造変化をピコ秒時間分解能で追跡することにより、結晶構造相転移のダイナミクスに対して新たな知見を加え、相転移モデルの構築を試みることを目的としている。
本年度の実験は、フェムト秒レーザービームを真空チャンバー内で銅円板に集光してX線を発生させ、Be窓を通して大気中に導き出す。平板試料をゴニオに設置し、検出器としてイメージングプレートもしくは液体窒素冷却CCDを設置して、回折X線の検出を行った。一方、パルス圧縮前の300psビームを分岐して、適当な光学遅延線路を介して試料に3.3GW/cm^2で照射し、試料の光学的な励起を行った。現在まで、シリコン単結晶を試料として、ピコ秒レーザー光の吸収に伴う結晶格子の歪み変化を10psの分解能で1000psの遅延時間まで時間分解測定することができた。
その結果、300psの励起レーザーパルス照射中に、試料表面付近から膨張する様子がわかると共に、試料内部に向かって圧縮歪みが伝播することもわかった。そこで、この現象のモデル化を行い、シリコン中のレーザによるキャリアの生成とオージェ再結合による減少、格子温度の時間変化、応力と歪みの発生、キャリアの拡散現象を方程式に表し、数値計算によって現象をシミュレーションし、動力学回折理論によりロッキングカーブを得て、実験で得られた回折パターンと比較した。定量的に良く一致しており、レーザ光と半導体の過渡的相互作用を良く表現し得ることがわかった。