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Crystal growth of layer semiconductor gallium selenide for highly efficient THz wave light source

Research Project

Project/Area Number 18J11396
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Inorganic materials/Physical properties
Research InstitutionTohoku University
Research Fellow 佐藤 陽平  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY) 2018-04-25 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywordsガリウムセレン / 層状化合物半導体 / 溶液成長 / トラベリングヒーター法 / THz波 / 複屈折性 / 非破壊検査 / 温度差法 / 溶解度 / Self-seeding法
Outline of Annual Research Achievements

本研究ではTHz波光源として優れた特性を有するGaSe結晶の光源実用化を目的として、高品位なGaSe結晶の成長方法の確立と成長した結晶へのデバイス化を行って いる。今年度は、前年度に成長速度の高速化が確認されたIn溶媒からのGaSe混晶の成長において成長温度を変えてIn組成の異なる結晶を成長した。成長した結晶のIn組成と格子定数の関係から、成長した結晶はInGaSe混晶であることが確認された。ホール効果測定の結果、In組成が高いほどキャリア密度は減少し、In組成の高いInGaSe混晶では低温域でイオン化不純物散乱が支配的であったことから、InはGaサイトを占有することでドナー準位を形成したと考えられる。THz波発生において励起光として使用する赤外帯におけるIn濃度2.0 at%のInGaSe混晶の吸収係数は3.9 cm^-1であり、Ga溶媒から成長したGaSe結晶の吸収係数よりも1/3ほどに減少した。また、差周波発生の位相整合角度の変化から、InGaSe混晶中のIn組成が高いほど結晶の複屈折性が小さくなることを確認した。今年度はトラベリングヒーター法により成長方向を揃えて厚い結晶を成長し、結果として厚さ0.415 mmのInGaSe混晶からのTHz波発生において (001)面内角度に対して六回対称の結晶構造を反映した発生強度変化が確認された。9.7 THzの発生においては厚さ0.86 mmのInGaSe混晶からの発生効率は3.1×10^-5 (J^-1)であり、Ga溶媒から成長した厚さ0.1 mmのGaSe結晶からの発生効率よりも26倍高い結果となった。さらに成長した混晶をTHz波光源としてブラックポリエチレンの被覆下に存在するポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルの分光測定とイメージングを行い、周波数ごとのTHz波の吸光度の違いにより樹脂材の識別に成功した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(18 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] Terahertz wave generation via difference frequency generation using 2D InxGa1-xSe crystal grown from indium flux2020

    • Author(s)
      Yohei Sato, Chao Tang, Katsuya Watanabe, Junya Ohsaki, Takuya Yamamoto Tadao Tanabe and Yutaka Oyama
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 28 Pages: 472-472

    • DOI

      10.1364/oe.28.000472

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Characteristics of 2D Ge-doped GaSe grown by low temperature liquid phase deposition under a controlled Se vapor pressure2018

    • Author(s)
      Yohei Sato, Chao Tang, Katsuya Watanabe, Tadao Tanabe and Yutaka Oyama
    • Journal Title

      Journal of Nanosciences: Current Research

      Volume: 3 Pages: 1000128-1000128

    • DOI

      10.4172/2572-0813.10000128

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Direct determination of the interlayer van der Waals bonding force in 2D indium selenide semiconductor crystal2018

    • Author(s)
      Tadao Tanabe, Chao Tang, Yohei Sato, and Yutaka Oyama
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 123 Pages: 245107-245107

    • DOI

      10.1063/1.5024313

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low temperature liquid phase growth of crystalline InSe grown by the temperature difference method under controlled vapor pressure2018

    • Author(s)
      Chao Tang, Yohei Sato, Tadao Tanabe, Yutaka Oyama
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: 495 Pages: 54-58

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2018.05.016

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] In溶媒からのInxGa1-xSe混晶の溶液成長と高効率THz波発生2020

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第166回日本金属学会春季講演大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Inフラックスを用いた温度差法とトラベリングヒーター法によるGaSe結晶の低温溶液成長2020

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] In溶媒を用いた温度差法とトラベリングヒーター法によるGaSe溶液成長2019

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第165回日本金属学会春季講演大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Temperature difference solution growth of GaSe crystal by using In flux and self-seeding method2019

    • Author(s)
      Yohei Sato
    • Organizer
      The 19th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Temperature gradient solution growth of GaSe crystals from an indium flux without seed crystal2019

    • Author(s)
      Yohei Sato
    • Organizer
      2019Joint Symposium on MSE for the 21st Century
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 温度差法によるInフラックスを用いたインゴット状GaSe単結晶の低温液相成長2019

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第164回日本金属学会春季講演大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Inフラックスを用いた温度差法によるGaSe結晶の低温溶液成長2019

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Low temperature liquid phase growth of GaSe doped with Ge and GaSe1-xTex 2D crystal for highly efficient THz wave generation2019

    • Author(s)
      Yohei Sato
    • Organizer
      Nanophotonics of 2D materrials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] THz波光源用二次元層状半導体GaSe結晶の低温液相成長2018

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      電子情報通信学会電子デバイス研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] THz波光源用二次元層状半導体GaSe結晶の低温液相成長2018

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第73回応用物理学会東北支部学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Low Temperature Liquid Phase Growth of GaSe for Highly Efficient THz Light Source2018

    • Author(s)
      Yohei Sato
    • Organizer
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Inフラックス法によるGaSeの低温液相成長2018

    • Author(s)
      佐藤陽平
    • Organizer
      第163回日本金属学会秋季講演大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Low Temperature Liquid Phase Growth of Ge Doped GaSe and GaSe1-xTex Crystal for Highly Efficient THz Light Source2018

    • Author(s)
      Yohei Sato
    • Organizer
      2018 International Conference on Nano Science and Technology
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Liquid phase growth of Ge doped GaSe and GaSe1-xTex bulk crystals at low temperature for highly efficient THz wave source2018

    • Author(s)
      Yohei Sato
    • Organizer
      The 7th Advanced Lasers and Photon Sources
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2018-05-01   Modified: 2021-01-27  

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