2019 Fiscal Year Annual Research Report
Energy band structure daynamics of a semiconductor single-crystal by X-ray excitation
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19H04397
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
田中 義人 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (80260222)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安田 伸広 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (10393315)
福山 祥光 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (20332249)
鈴木 基寛 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (60443553)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | X線励起分光 / 半導体単結晶 / X線自由電子レーザー / 時間分解計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Ｘ線パルス励起によって生じる半導体単結晶のバンドダイナミクスを、分光学的手法を用いて明らかにすることを目的とする。Ｘ線パルス励起に対する半導体のバンドギャップ近傍の高速光学応答特性を調べることは、高輝度高速Ｘ線センサーとしての基礎特性や放射線損傷メカニズムの解明に加え、元素選択的な電子励起時に発現する新物性探索につながることを意識し、半導体の「Ｘ線光物性」について知見を得るべく本課題を進めた。
当該年度では、対象を基本的な無機半導体単結晶であるGaAsとした。これにＸ線ポンプ・広帯域近赤外光プローブ法を適用して過渡透過スペクトルを測定するために、フェムト秒チタンサファイアレーザーを広帯域化する光学系を構築した。この光学系を1枚のブレッドボード上に作製し、Ｘ線自由電子レーザー施設SACLAに持ち込んで、Ｘ線自由電子レーザー励起、近赤外広帯域パルスプローブ法による時間分解透過率計測を行った。当該年度後期で、さらにプローブ光の試料からの反射率も同時に計測できる光学系を組み、透過率、反射率の両方から吸収係数の時間変化を得ることに成功した。実験結果は、バンドギャップ付近の吸収率がピコ秒スケールで高くなり、その後低くなるという複雑ではあるが系統的な挙動を示すものであった。これらはバンドギャップの収縮や、キャリア励起による分布変化などが影響しているものと考えられる。また、元素選択的な励起効果も調べるために、GaおよびAsのK吸収端前後に励起Ｘ線の光子エネルギーを調整してデータを取得した。Ｘ線励起強度依存性も取得できたので、これらの解析を進めている。
一方、これらのデータと近赤外光励起を比較するため、大学の実験室のモードロックチタンサファイアレーザーシステムを安定発振させるための整備を進め、近赤外励起・近赤外広帯域プローブシステムの設計を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
蓄積リング放射光の時間幅数十ピコ秒のパルスＸ線を用いて行ってきたGaAsに対するＸ線励起赤外過渡透過分光の手法の分析と、実験結果の解析を行い、数フェムト秒パルスであるＸ線自由電子レーザー励起実験計画での測定手法を検討・決定した。当該年度前期で、試料をGaAsとしてＸ線自由電子レーザー施設SACLAでの実験を行い、蓄積リング放射光Ｘ線を使った実験での光子エネルギーに対応するデータを早々に取得することに成功した。その結果は、蓄積リング放射光で得たデータとは全く異なる挙動を示すものであり、励起Ｘ線のピークパワーの違いが顕著に現れた。ただし、透過スペクトルに薄膜干渉の効果が現れるためにスペクトル形状から吸収スペクトル変化を調べることが困難であった。そこで、当該年度後期で、透過率に加えて、試料からの反射率を同時に取り込める光学系を組み、時間分解透過スペクトル、時間分解反射スペクトルの両方から時間分解吸収スペクトルを得ることに成功した。これにより、当初懸念していた干渉縞の悪影響を払拭することができた。結果は、バンドギャップ付近の光の吸収率が、ピコ秒スケールで大きくなったのち、急激に小さくなる傾向が再現性よく見られるものであった。このような形状変化は、バンドギャップの収縮や、キャリア励起による分布変化から得られるものと推察されるが、その特定には至っていない。また、元素選択的な励起効果も調べるために、GaおよびAsのK吸収端前後に励起Ｘ線の光子エネルギーを調整してデータを取得した。さらに、Ｘ線の励起強度依存性も取得し、その傾向を調べている。
一方で、これらのデータと近赤外光励起を比較するため、大学の実験室のモードロックチタンサファイアレーザーシステムを安定発振させるための整備を計画どおり進めた。年度終了時点では、近赤外励起・近赤外広帯域プローブシステムの設計を行った状態である。
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| Strategy for Future Research Activity |
蓄積リング放射光の時間幅数十ピコ秒のパルスＸ線を用いて行ってきたGaAsに対するＸ線励起赤外過渡透過分光の結果と、数フェムト秒パルスであるＸ線自由電子レーザー励起実験の過渡透過分光の結果を比較する。励起Ｘ線のピークパワーの違いが顕著に現れているため、その特徴について分析を進める。
また、今回Ｘ線自由電子レーザー施設SACLAで行った実験で、反射スペクトルの同時計測に成功したことから、過渡吸収スペクトル形状を取得することができた。その挙動も複雑であるが再現性が良かったため、この解析を精力的に行う。また、元素選択的な励起効果も調べるために、GaおよびAsのK吸収端前後に励起Ｘ線の光子エネルギーを調整してデータを取得したことに加え、Ｘ線の励起強度依存性も取得したので、これらの大量のデータの解析を進め、その傾向を調べる。
一方、当初の計画にあるように、これらのデータと近赤外光励起を比較する実験を進める。初年度で大学の実験室のモードロックチタンサファイアレーザーシステムを安定発振させるための整備を進めたため、今後はこのレーザーシステムを用いた近赤外励起・近赤外広帯域プローブシステムの構築を行い、Ｘ線自由電子レーザー励起の過渡スペクトルと比較できる条件で、近赤外励起におけるGaAsの過渡吸収スペクトル取得に臨む。
また、直接遷移型半導体であるGaAsに加えて、間接遷移型の代表といえるSiについても同様の計測ができるように、プローブ光の波長範囲を拡張できる光学系の条件を探索する。
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Research Products
(2 results)
