2013 Fiscal Year Annual Research Report
酸化物量子井戸界面における結晶対称性の破れと偏光光電機能
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25289084
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松井 裕章 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (80397752)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
蓮池 紀幸 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 助教 (40452370)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 量子井戸 / 結晶対称性 / ZnO / 非極性 / 偏光性 / 格子歪 / 光電ｊ変換 / 酸化物 |
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| Research Abstract |
本研究は、半導体的性質と誘電体的性質を併せ持つ非極性ZnOに着目し、紫外域における偏光光学機能の創出を目指している。平成25年度では、非極性ZnOの電子バンド構造を摂動法に基づいて理論的に解析し、面内の格子歪と電子バンド構造の相関を明らかにする。更に、理論的結果を実験的観点から実証する。以下にその成果を示す。
電子バンド構造（特に、価電子帯）の理論的考察は、ブリュアン帯域内のあるk0点近くの特定のエネルギーバンドの波動関数エネルギーを摂動パラメータとして展開した摂動法を採用する。ZnOの価電子帯の頂上は酸素原子の2p軌道から構成され、更に、価電子帯はスピン・軌道相互作用により3種類のエネルギーバンドに分裂する。従って、スピン・軌道相互作用を考慮した6×6のハミルトニアン行列を用い、x [11-20], y [10-10]及びz [0001]方向への異方的格子歪における電子バンドエネルギー分散（kx, ky, kz）の関係を調査した。摂動計算された電子構造は、面内方向の格子歪に相関して異なるエネルギー分裂を示す。特に、薄膜面内に圧縮歪を導入することで、高い偏光性が実現できる。一方、実験的観測に向けて、パルスレーザー堆積（PLD）法を用いて、非極性ZnO薄膜をR面サファイアヤ基板上に成長させた。面内圧縮歪を有する非極性ZnOは700oC以上の高温成長で得られ、理論的結果と同様に高い偏光機能を示すことが実証された。その偏光度合は、45o入射の偏光に対して、20o程度の偏光度を示した。一方、面内圧縮歪を有しない非極性ZnO薄膜は、低い偏光性に留まる。故に、理論的考察から高偏光性を実現するための最適な異方的格子歪を求め、実験的に検証し、来年度に実施する量子井戸構造に向けての予備的知見を得た。
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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
本研究における今年度の達成すべき目標は、摂動法による電子バンド構造の理論的考察、及び非極性ZnO薄膜内の異方的格子歪及び分極構造の相関を明らかにすることである。最初の課題である理論的考察に関して、スピン・軌道相互作用まで含めたkp摂動法を解くことによって、非極性ZnOにける面内方向に関する異方的格子歪と電子バンド構造の相関を2次元マッピングという形で計算し、明確な相関図を抽出することができた。故に、最初の課題は達成された。次に、格子歪と電子バンド構造の相関を実験的に実証することである。良質な非極性ZnO薄膜はパルスレーザー堆積法を用いて作製した。試料の品質は薄膜表面の原子間力顕微鏡観察とX線回折から同定された。作製された非極性ZnO薄膜の面内格子歪とバンドエネルギーは理論的結果と一致し、格子歪と電子バンド構造の関係は解明された。更に、分極構造と電子構造の相関は、光電特性と結晶方位依存性の観点から明らかにした。上記から、平成25年度における研究達成度には問題は無い。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度は、ショットキー接合を利用した光電特性の偏光依存性の観測と、量子井戸界面で結晶対称性が破れた量子構造の形成を目指す。光電特性の偏光性評価は、ハロゲンランプとモノクロメータにより励起波長を可変しながら、室温下において光電特性を測定する。測定に際して、金属・酸化物・半導体の3層構造から成るMIS接合をショットキー接合として採用する。絶縁相の酸化物層として、HfO2を検討する。一方、量子井戸構造は、パルスレーザー堆積法と高速電子線回折(RHEED)を併用して作製する。量子井戸と障壁層の鋭いヘテロ界面は、RHEEDを用いてリアルタイムで計測評価する。作製試料の結晶性評価は、高分解能XRD及び顕微ラマン散乱分光から同定する。更に、透過電子顕微鏡を用いて量摂動法を発展させて、量子井戸内の電子バンド構造を予測することも同時に実施する。量子井戸層の格子歪と量子化エネルギー準位の相関関係を見出すことで、量子井戸試料に関する偏光特性を理論的に解析することが可能となる。故に、来年度は量子井戸の形成、偏光性の量子閉じ込め効果を理論的・実験的に検証していく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成25年度における研究の主な目的は、ｋｐ摂動法による理論的解析である。量子井戸界面で異方的格子歪を導入する際に、高い偏光性を実現させるために最適な格子歪と電子バンド構造の相関を見出すことが先ず要求される。今年度は実際に理論的観点からの考察を実施し、格子歪と電子バンド構造の相関性を明らかにし、高い偏光性を実現させる条件を見出した。更に、理論的考察を実験的に観測するために、格子歪の異なる薄膜試料を作成し、実験的にその理論指針を同時に確認した。故に、実験的な研究活動が今年度は相対的に少なく、予算執行において、基金分を次年度以降の実験的研究の推進のために利用するため。
平成26年度（来年度）は、今年度に実施した理論的指針に基づいて実験的研究を加速させていく。最初の研究実施課題として、非極性ZnO量子井戸構造の形成を実施する。その際に、必要な超真空成膜装置のエキシマレーザー装置（備品）を計上する予定である。更に、関連する真空部品群（物品費）を計上する。また、作製した試料の基礎光学評価を担当して頂いております分担者への分担金を計上する。最後に、成果報告として国際誌への投稿に係わる出版費として利用する予定です。
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Research Products
(11 results)
