Energy band structure daynamics of a semiconductor single-crystal by X-ray excitation

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H04397
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: Tanaka Yoshihito 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (80260222)
• 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, 回折・散乱推進室, 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, 回折・散乱推進室, 研究員 (20332249) ; 鈴木 基寛 関西学院大学, 工学部, 教授 (60443553)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: X線励起 / X線自由電子レーザー / 半導体 / バンドギャップ / 過渡吸収分光

Outline of Final Research Achievements

Fast optical response of a semiconductor to femtosecond X-ray pulse irradiation has been investigated by time-resolved absorption spectroscopy. We performed X-ray pump - optical probe measurements for gallium arsenide using an X-ray free electron laser and a broadband optical pulse in the near infrared region covering the band-gap. The high time- and spectrum-resolution measurement revealed the ultrafast spectral change around the band-gap energy, showing that the band-gap shrinkage is instantaneously generated by highly-excited dense carriers, and that the hot carriers relax toward the bottom of band-gap and thermalize on a time scale of several picoseconds,

Free Research Field

放射光科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

半導体素子はその優れた電気特性のために、様々な光や粒子の検出に広く利用されている。本研究では、半導体素子にパルスX線が照射されたときの高速応答を、電気信号応答より４桁以上速い観測能力をもつ過渡吸収分光を用いることにより、電気特性に関与する高速の電子状態の振る舞いを観測した。結果、通常の光学パルスが照射されたときに比べて一桁程度遅い特徴的な電子分布回復過程が観測された。Ｘ線の高速センサーとしての特徴や損傷過程について、基礎的でかつ包括的な知見が得られた。