2020 Fiscal Year Research-status Report

Development of transmission electron microscopy to visualize optical field

Research Project

Project/Area Number	19K22136
Research Institution	Japan Fine Ceramics Center
Principal Investigator	山本和生一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主席研究員 (80466292)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	穴田智史一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 上級研究員 (40772380)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Keywords	電子線ホログラフィー / レーザー / エバネッセント光 / 光定在波 / 電場 / 干渉
Outline of Annual Research Achievements	光ファイバーを組み込んだ自作のTEM試料ホルダーに，ｐ－ｎ接合を持つGaAs半導体のTEM試料を固定し，２０１９年度に導入したキセノンランプを試料に照射しながら電子線ホログラフィー計測を行った．光照射前と光照射中（光出力：450 W/m2, 1180 W/m2, 2070 W/m2）の電子波干渉パターン（ホログラム）を撮影し，ｐ－ｎ接合部の電位分布を定量的に観察した．その結果，光出力を増加させるに従って，ｐ－ｎ接合部の電位差が減少した．一般に，光を照射すると半導体内で電子－正孔ペアが生じ，接合部の電位差は低下する．しかしながら，実験値と理論値は大きな差異が見られた．そこで，電子線照射による効果および試料表面の電子－正孔ペアの再結合を含めた計算機シミュレーションを行った結果，ある程度，実験値の傾向を説明することができた．この結果を，Journal of Applied Physicsに掲載した． ZnOナノワイヤーへの光照射実験も，昨年度に引き続き行った．今回は，上記のTEM試料ホルダーを用いることで，光照射中の試料ドリフトはほとんど無く，安定にホログラムを撮影することができた．光照射前（光OFF），光照射中（光ON），光照射後（光OFF）で比較したところ，ZnOナノワイヤーの先端部約 70 nmのところで，電位の変化を捉えた．しかし，光照射後でも電位の変化が元に戻らなかったことから，何らかの不可逆的な変化が起こったと思われる．電子線照射と光照射による相乗効果の可能性もある．現在，この原因について調査中である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 光照射前後における半導体中の電位変化を捉えることができ，論文化することができた．また，ZnOナノワイヤーへの光照射前後の変化も捉えることができた．光の干渉現象については，どのような変化が起きているか調査中である．
Strategy for Future Research Activity	光ファイバーを組み込んだ自作のTEM試料ホルダー用いることで，電子線ホログラフィー計測が可能なことがわかった．また，光照射実験は，光照射だけでなく，電子線照射による影響も考慮しなければならないことがわかった．今後は，コヒーレントな光を照射できるように，自作のTEM試料ホルダーを改造し，材料中における光干渉現象の観察をトライしたいと考えている．
Causes of Carryover	光照射しながら安定に電子線ホログラフィー計測が可能な実験手法の開発に時間がかかった．また，TEM試料ホルダーの改造や光干渉現象に関する他研究者との打ち合わせなどが，新型コロナの影響で遅延したのも原因である．