2017 Fiscal Year Annual Research Report
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17H02910
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中 暢子 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10292830)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋元 郁子 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (00314055)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バレー偏極 / 光配向 / IV族半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の遷移金属ダイカルコゲナイドの単一原子層化による直接型ギャップ形成を契機として、円偏光励起によるバレー偏極の研究が目覚ましい発展をみせている。また、光注入によるスピン配向（光配向）の研究はGaAsなどの直接遷移型半導体で古くから行われている。これらの物質は直接型ギャップに由来する高い光再結合確率を持つが、一方でキャリアの寿命は数ピコ秒と非常に短い。情報保持に適する長いコヒーレンス時間を持つようなバレー偏極が強く求められている。
そこで、本研究では、間接型半導体における長寿命のキャリアに着目する。特にIV 族半導体では、核スピンを持つ同位体が少なくスピン軌道相互作用も小さいため、スピンコヒーレンス時間が長いという利点がある。また、ごく最近になり、光配向に関する理論研究も行われている。本研究では、長いバレーコヒーレンス時間が期待されるIV族真性半導体のデルタバレー（結晶の〈001〉軸に等価な６方向の伝導帯の谷）にキャリアを選択的に「共鳴励起」する手法を開拓し、バレー自由度を活用するための光初期化の実験を行う。
光学遷移の選択則の複雑さのために間接遷移型半導体はこれまで敬遠されてきたが、その基礎特性を物理的に理解し活用することで、バレー寿命を革新的に伸長することができると考えられる。すなわち、従来の直接型半導体における光初期化法とは質的に異なるフォノン介在の基礎光学過程を用いることで、バレー寿命の限界を打破できる可能性は十分にある。このことにより、サブマイクロ秒オーダーのバレー偏極の緩和とミリメータースケールに迫るキャリアの空間輸送が可能になると期待される。また、本研究で真性半導体への光励起キャリアの注入技術を高めることは、高純度化が進む次世代半導体材料のデバイス応用においても重要な意義を持つと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度は、光注入によるデルタバレー偏極に関する以下の研究課題に取り組んだ。国内外の学会での成果発表と投稿論文の出版を行ったほか、一般への成果発信として科研費NEWSにおいて本課題に関する成果の一部を紹介した。
a) デルタバレー偏極電子の光注入経路の解明：シリコンには波数空間内の６つのデルタ点にバレーが存在し、結晶の(110)軸方向の磁場印加のもとでは等価なバレーが4:2の割合で存在する。従って、バレー間緩和が頻繁に起きる運動エネルギーの大きな電子に対して、バレー偏極度は2に等しくなると考えられる。しかし、励起波長依存性を詳しく調べると、吸収端直上での低温キャリア生成の場合のみ、バレー偏極度が2を超える高い値を保持することを見出した。この成果はApplied Physics Express誌のスポットライト論文に選ばれ注目を集めた。
b) 定常光によるダイヤモンドのキャリア励起法の開拓：試料をより低温にすればバレー緩和時間が長くなると期待されるため、最低到達温度をこれまでの7 ケルビンから2.8ケルビンに改善した。極低温では温度が安定に保たれる時間が限られ、より短時間でスペクトルを取得する手法が必要となったため、定常深紫外光源を用いる新たなキャリア励起法を開拓した。試行錯誤の結果、重水素ランプによる真性ダイヤモンドの定常励起のもとで、光励起キャリアのサイクロトロン共鳴信号を捉えることにはじめて成功した。
c) バレー偏極の空間輸送の実現に向けた外力印加法の検討：予想されるバレー緩和時間(ダイヤモンドで約300 ナノ秒)を考慮し、ナノ秒領域でスイッチング可能な電場印加によりキャリアの空間輸送を行う実験系を検討した。新たな電場印加装置として、2枚のITO電極の間に単結晶試料を挟み込む構造を考案し、そのプロトタイプを試作した。実際の電場印加実験に向けて低温耐性を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度に行ったシリコンでの原理検証の知見をもとに、平成30年度は、より長いバレーコヒーレンス時間が期待されるダイヤモンドを中心にデルタバレー偏極に関する次の研究を行う。
a) ダイヤモンドにおけるバレー選択則の検証：バレー偏極の光初期化を実現するために、ダイヤモンドにおける光学選択則の理論的考察を引き続き進める。特に、光の波数ベクトルが結晶軸となす角度の違いにより、偏光選択則およびバレー偏極度がどのように変化するかについても詳細に検討する。
b) 光初期化したバレー偏極のコヒーレンス時間の測定：デルタバレーの選択に最適な励起条件のもとで、サイクロトロン共鳴法によりキャリアのバレー偏極度の緩和時間を実測する。純度の異なる複数の試料で測定を行い、キャリア寿命とバレーコヒーレンス時間の相関関係を明らかにする。入射偏光を変えて初期偏極度を変化させたときの緩和時間の違いを調べ、バレー間散乱によるバレーコヒーレンス時間への影響や温度依存性を明らかにする。
c) 外部電場印加下でのサイクロトロン共鳴実験：平成29年度に制作した電場印加装置のプロトタイプを用いて、電場によるバレー分離検出の実験を行う。
d)質量異方性およびバンド非放物線性の実測：ダイヤモンドで顕著になる効果として、質量異方性による軽い正孔-重い正孔の準位間分裂がある。これを検証するために、より理解が進んでいるCu2Oをモデル物質として、質量異方性とバンドの非放物線性、およびバンド内でのキャリア緩和時間を実測するサイクロトロン共鳴実験を進める。その結果を、デルタバレーを有する物質におけるバンド非放物線性の詳細な理解につなげる。
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| Remarks |
科研費ＮＥＷＳ 2017 Vol.4 p.9「光励起によるスピン・バレー偏極の輸送特性に関する研究」京都大学 大学院理学研究科 准教授 中 暢子
http://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/22_letter/
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