2022 Fiscal Year Annual Research Report

Elucidation of the generation mechanism of giant light-induced deformation phenomena for the development of novel light-driving systems

Research Project

Project/Area Number	21H01655
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Osaka Metropolitan University
Principal Investigator	沈用球大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20336803)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	金大貴大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (00295685)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords	光誘起変形 / 過渡応答特性 / 光熱変換 / 機能性材料 / 光駆動
Outline of Annual Research Achievements	本年度は，前年度の構築した光誘起変形の過渡応答特性測定計を用いて，3元タリウム化合物に対するポンプ光照射条件との関係を明らかにすることを目的とし，ポンプ光としてミリ秒矩形パルス波レーザーを用いて，光誘起変形現象の動的特性およびその制御性の詳細を調べた。動的特性においては，前年度に光照射時および非照射時に存在する変形の速い成分と遅い成分の存在を示したが，この物理的過程について，さらに詳細な検討を行った。変形過渡応答特性のポンプ光照射中心からの距離依存性やポンプ光の繰返し周波数依存性を調べた結果，速い成分は，光照射による直接的加熱に伴う熱膨張の影響を反映した過程であり，遅い成分はその熱が熱伝導により伝搬して加熱され熱膨張した影響を含む過程であることを明らかにした。また，高周波数領域では，特に，非照射時の遅い減衰過程がボトルネックとなり，変形量を減少させていることがわかった。この遅い成分は熱拡散速度で決定されるため，高周波数領域で変形量を大きくするためには，試料温度を低下させるなど，温度制御が必要であることを明らかにした。光誘起変形の制御性という観点では，光誘起変形量について、矩形パルス波のDuty比依存性が高周波数領域で顕著に現れDuty比50％付近で変形量が大きくなることがわかった。また，照射時間が一定の場合，非照射時間を長くすることで変形量が増大することがわかった。これらの知見は，断続光による光誘起変形の動的特性を応用に用いる場合の指針となり、その制御には，求める変形特性に応じて照射時間と非照射時間の適切な制御が重要であることを示した。これらの成果は，学会にて発表した。ナノ秒パルスレーザーによる，光誘起弾性波測定に関する研究も開始しており，実際の弾性波観測に向けて実験を継続している。また，光照射による屈折率変化に関する測定も継続して行っている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は，ポンプ光としてミリ秒パルスレーザーを用いた光誘起変形現象の加藤応答特性や制御性に関する実験では，予定通り研究が進捗し成果の発表も行った。一方，ナノ秒パルスレーザーを用いた過渡応答特性や弾性波発生に関する研究では，測定系の準備が整い予備実験でナノ秒過渡応答特性を試みている状況であり，弾性波の観測には至っていない。光照射による光学定数変化の測定においては，定常的な変化に関する計測を可能にしたが，その過渡応答特性の測定が課題として残っている状況である。このように，当初予定していた研究課題について取り組み，一部の研究内容については，明確な実験結果が得られておらず，今後も継続して研究を遂行する必要があるが，ミリ秒パルスレーザーによる光誘起変形の制御性を明らかにし学会にて発表を行ったため，研究全般的には順調に進展していると言える。
Strategy for Future Research Activity	ミリ秒パルスレーザーを用いた実験では，成果が十分に得られたため，今後は，ナノ秒パルスレーザーをポンプ光として用いた光誘起変形現象の過渡応答特性および光誘起弾性発生に関する研究に注力する。特には弾性波発生条件を探り，その特性を明らかにすることで，光駆動機構への応用の足掛かりとする。また，光誘起の光学定数変化に関する研究も継続し，その過渡応答特性の観測も行う。基礎研究面では，国際共同研究によるフォノンに関する理論計算結果との比較から，本現象の物理的要因の解明に関する研究を推進する。本現象の応用に向けて，薄膜での本現象観測を行うため，3元タリウム化合物の薄膜化の研究も進める。