2021 Fiscal Year Research-status Report
表面電場制御法に基づく超高速光励起過渡現象の解明と制御
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21K03435
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
長谷川 尊之 大阪工業大学, 工学部, 講師 (00533184)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金 大貴 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (00295685)
小島 磨 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (00415845)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光励起過渡現象 / テラヘルツ波 / 表面電場 / 半導体 / 超高速分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、フェムト秒レーザーによって半導体結晶中に励起される電子系・格子系の超高速過渡現象を、表面電場の観点から探求し、過渡現象ダイナミクスの本質解明と制御を目的としている。2021年度の主な研究成果は、以下の通りである。
結晶表面にキャリアを光励起して表面電場を遮蔽する方法により、過渡現象（非平衡キャリア輸送やプラズモン振動）に対する電場効果を調査した。具体的には、時間差を制御したフェムト秒光パルスのペアを生成し、一方を過渡現象励起用、他方を電場遮蔽用とすることで、電場遮蔽の時間応答と過渡現象ダイナミクスとの関係性を精密に調査した。その結果、GaAs多層膜構造における過渡現象からのテラヘルツ波放射の振幅が、電場変化に応じて2倍程度変化することを明らかにした。また、光パルスが時間的に近接した条件では、実効的にキャリア密度が増加して、プラズモンによるテラヘルツ波の周波数が増加した。以上の新知見は、過渡現象のテラヘルツ波放射の振幅と周波数の両方を、光パルスペアで制御し得る可能性を示すものである。さらには、光パルスの一方をCWレーザーに置き換えて電場強度を定常的に変化させた場合においても、テラヘルツ波振幅をある程度制御できることを示した。
上記の研究と並行して、GaAs多層膜構造の表面電場を結晶温度で制御して取得したテラヘルツ波時間波形を、数値シミュレーションに基づいて解析した。その結果、テラヘルツ波放射振幅と電場強度との関係性が明らかとなり、過渡現象の電場効果の一つの尺度を得た。また、照射時間や波長を個別に制御した2種の励起光を用いて、GaAs/AlAs系多重量子井戸構造の過渡反射応答およびテラヘルツ波放射応答についての調査を行った。本調査結果に基づいて、上述の光パルスペア実験の発展性を向上させた。
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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
2021年度は、実験環境の構築および表面電場制御法の開発を主体的に行った。実験環境については、時間分解ポンプ・プローブ計測とテラヘルツ波時間波形計測を同時に行うことが可能な一体型の超高速分光システムを、新規に導入した光学実験台上に設計通りの仕様で構築した。本分光システムにより、過渡現象のダイナミクスを多面的かつ迅速に評価する実験環境が整った。表面電場制御法の開発については、以下(i)(ii)のアプローチから検討した。(i)半導体結晶表面を加工することで、表面電場強度を制御する方法について検討した。半導体ナノ粒子塗布膜や金属薄膜を表面に形成させ、膜の種類や厚みに対する電場強度の変化を光変調反射分光法により評価した。その結果、最大で数kV/cm程度の電場強度の低下が生じ、長期的に維持されることを確認した。(ii)光キャリア生成による遮蔽効果で表面電場を制御する方法について検討した。フェムト秒光パルスペアを用いた方法では、10 kV/cm以上の電場強度の低下が生じることが確認された。CWの半導体レーザーを電場遮蔽用に用いた場合では、大きな電場変化は生じないが、簡便に電場遮蔽の効果が得られた。以上のように、表面電場制御に関する様々な知見が得られ、今後の研究の展開に応じて適した方法を選択できる状況にある。
また、(ii)の表面電場制御を測定に応用することで、「研究実績の概要」で述べた様々な研究成果が得られている。さらには、表面状態の異なる多種の半導体構造の準備が進んでおり、次年度は多様な研究が実施できる状況にある。
以上の理由から、現在までの進捗状況は「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
過渡現象の調査内容に合わせて、半導体表面構造および電場制御方法を選択して研究を推進していく。実験面では、整備した一体型の超高速分光システムを駆使して、表面電場の大きさや向きが過渡現象ダイナミクスにどのように反映されているのかを精密に調査する。理論面では、当該現象に関する数値シミュレーションを並行して実施し、実験結果の解析をサポートする。また、実験結果を表面電場制御法の開発にフィードバックさせることで、過渡現象の調査と表面電場制御法の改良を相補的に進めていく。
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| Causes of Carryover |
購入しようとしていた物品に関して、別予算で目途がつき実験が遂行できたため未使用額が生じた。当該未使用額は、研究成果を広く発信するために、オープンアクセスの論文出版費として使用する予定である。
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