2021 Fiscal Year Annual Research Report
Ultrafast and efficient radiative decay due to coupling of light and multi-componet excitons in semiconductor single crystal thin films
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19K03687
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
一宮 正義 滋賀県立大学, 工学部, 准教授 (00397621)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 励起子 / 超高速光学応答 / 非線形光学 / 薄膜成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体を光励起すると、伝導帯へ励起された電子と価電子帯に発生した正孔がクーロン力で結びついて水素原子様の励起子が形成される。ナノ構造中の励起子は波としての性質が強くなるため、光との相互作用は光の空間構造を無視する長波長近似（LWA）によって記述される。この近似下では系のサイズが増大するにつれて光学応答の速度・効率が増強されるものの、励起子が波としての性質を維持できるコヒーレンスの限界やLWAの破綻により限度があると考えられてきた。一方で、ナノとバルクの中間である数100 nm以上のサイズ領域にあっても励起子のコヒーレンスが系全体に拡がる高品質薄膜の場合、光波と励起子波の長距離にわたる結合によってLWAの枠組みを凌ぐ超高速・高効率の光学応答を示すことが明らかになってきた。光と励起子の相互作用が強い銅ハライドの中で、膜厚200～300 nmのCuCl高品質薄膜において100 フェムト秒（＝10兆分の１秒）級の超高速非線形光学応答を観測することに成功したが、応答速度・効率がどこまで高められるかについては実験的に明らかになっていない。本計画では、分子線エピタキシー法を用いたCuCl薄膜作製法の改良および厚い領域での単結晶薄膜の作製を目指したが、膜厚600 nmで作製したCuCl薄膜において発光強度の増大を確認することに成功した。また、同じ銅ハライドでも価電子帯が縮退しているCuIでは光と２種の励起子が強く結合する効果によってCuClを凌ぐ超高速・高効率光学応答が期待されるため、CuIについても成膜法の改良を進めた。今回はCuIとの結晶整合や電気的特性の面で優れるCaF2(111)基板を使用することに加えて薄膜成長時の基板温度についても条件を絞り込み、その結果基板温度170℃で作製した試料においては単結晶であることを示す原子間力顕微鏡像を得られ、高効率光学応答の観測にも成功した。
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Research Products
(1 results)
