2013 Fiscal Year Annual Research Report
フェムト秒時間分解光電子分光法による半導体価電子正孔系の超高速動力学
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23540366
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
金崎 順一 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (80204535)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 慎一郎 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (00227141)
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| Keywords | 半導体 / キャリア動力学 / 角度分解フェムト秒２光子光電子分光 / 非平衡キャリア / 多体効果 / フェルミ縮退 / 電子・フォノン散乱 |
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| Research Abstract |
代表的化合物半導体ガリウム砒素及びインジウムリンについてフェムト秒時間分解2光子光電子分光の手法を用い伝導帯励起電子系の超高速緩和動力学に関する研究を推進した。光励起により注入された励起電子の密度分布の時間発展を100フェムト秒の時間分解能で実時間追跡し、エネルギー・運動量の多次元空間におけるキャリアの超高速ダイナミクスに関する直接的知見を獲得した。以下に成果を挙げる。
１）エネルギー緩和過程における多体効果を明確にするため、ガリウムヒ素について高密度励起下における非平衡励起電子系の超高速動力学を測定した。その結果、光励起により注入された高密度励起電子系が伝導帯下端近傍においてフェルミ縮退系を形成する事、さらに、電子系がフェルミ面を形成する過程において、そのエネルギー緩和速度が急激に減衰することを明らかにした。フェルミ縮退系における電子・フォノン散乱機構に関する理論的考察も含めて結果を検討し、この現象の物理的機構を解明した。２）インジウムリンにおける励起電子系のエネルギー緩和過程を観察し、励起後1ピコ秒までは極めて大きな緩和速度を示すのに対して、1ピコ秒以上の時間領域ではゆっくりと伝導帯下端にエネルギー緩和するという結果を得た。ガリウムヒ素との物性の相違に着目して両物質で得られた結果を比較検討し、電子・フォノン散乱におけるＦrolich相互作用と励起電子のホットフォノン吸収による再加熱効果がインジウムリンにおける励起電子系の緩和速度を支配していることを明らかにした。
分担者田中は放射光によるグラファイトからの角度分解光電子スペクトルを解析し、K点の電子がフォノンによりΓ点に間接遷移されて光電子として放出される過程を観測した。この散乱電子の検出により、固体中における電子・フォノン相互作用を直接的に決定すると共にフォノン分散を測定する新規の実験的手法を提案した。
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