層状半導体超薄膜の成長制御とその非線形光学応答

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08454084
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 小松 晃雄 大阪市立大学, 理学部, 教授 (90047134)
• 研究分担者: 飯田 武 大阪市立大学, 理学部, 教授 (80047191) ; 赤井 一郎 大阪市立大学, 理学部, 講師 (20212392) ; 唐沢 力 大阪市立大学, 理学部, 助教授 (90106336)
• キーワード: 層状半導体 / 超薄膜 / ホットウォール法 / エピタキシャル成長 / BiI_3 / 励起子遷移 / 量子サイズ効果 / 非線形光学応答

研究概要

ホットウォール法を用いてCdI_2および、CaF_2基板上にBiI_3超薄膜を成長させた。作成試料の評価については、(1)透過型電子顕微鏡および、(2)原子間力顕微鏡による構造解析的手法と、(3)光吸収スペクトル、(4)光散乱スペクトルの光学的手法の両面から行った。また、光強励起下での半導体結晶の非線形光学応答に関する理論的研究を進めた。
CdI_2基板上に成長させたBiI_3超薄膜で、厚さが一基本層の7Å以下では島状の微結晶状が成長する。また、2.5eVにはクラスター分子の存在を示唆する遷移が見られた。励起子遷移は量子サイズ効果のため、微結晶の粒径に応じて母体結晶より高エネルギーシフトを示すが、50Å程度の厚さでは2.062eVに励起子遷移が見られ、2.096eVにはCdI_2とBiI_3との界面に局在した界面励起子遷移が明瞭に現れた。(1)によるミクロな領域での構造解析からは,基板結晶のCdI_2の沃素の最密構造の間隔を反映したエピタキシャル成長のため、BiI_3のab面での格子間隔が圧縮されていることが分かった。このため励起子遷移のピークが10meVエネルギー側にシフトしていると理解された。(2)の直接観測による積層面内の均一なサイズの領域は数百Åであることが分かった。(3)から励起子遷移のピークは基板に強く依存し、CaF_2 (111)面の基板ではそれは30meV低エネルギー側に移動した。(4)の測定からこの試料では、層内の分子内振動モードと層間の分子間振動モード共ソフト化している事実から、エピタキシャル成長は沃素の最密間隔が圧縮された結果、積層方向に伸ばされており、その結果励起子遷移が低エネルギーシフトしたと考えられる。
以上のようにホットウォール法による層状結晶の超薄膜の成膜の制御は可能であり、得られた試料の評価を構造と光学スペクトルの両面から検討した結果、目的の試料の作製のできることが分かった。

研究成果

• [文献書誌] T. Komatsu, T. Karasawa, I. Akai, T. Iida: "Optical Properties of Nanostructures in Layered Metal Tri-Iodide Crystals" J. Lumin.70. 448-467 (1996)
• [文献書誌] D. Kim, T. Karasawa, I. Akai, T. Komatsu, T. Kobayashi: "Dynamical Properties of Confined Excitons in BiI_3 Microcrystallites and Ultra-thin Films Embedded in CdI_2 Matrices" J. Lumin.66 & 67. 443-447 (1996)
• [文献書誌] T. Komatsu, E. Kawahata, T. Karasawa, I. Akai, et al: "Dynamical Process of Excitons under Magnetic Fields in GaAs/ (AlGa) As Superlattice" J. Lumin.66 & 67. 468-472 (1996)
• [文献書誌] D. Kim, T. Karasawa, T. Komatsu, T. Kobayashi: "Exciton Transition in Size-Distributed BiI_3 Microcrystallites Embedded in CdI_2 Crystals" J. Phys. Soc. Jpn. 65. 3371-3378 (1996)
• [文献書誌] D. Kim, T. Karasawa, I. Akai, T. Komatsu: "Exciton Transitions and Exciton-Phonon Interaction in Nanostructures of Layered Metal Tri-Iodide" Proceedings of the 2nd International Conference on Excitonic Processes in Condensed. Matter. 139-142 (1996)
• [文献書誌] I. Akai, D. Kim, T. Karasawa, T. Komatsu: "Exciton Transitions in Growth-Rate Controlled Thin Films and Heterostructures Made of Layered Semiconductors" Proceedings of the 2nd International Conference on Excitonic Processes in Condensed. Matter. 131-134 (1996)
• [文献書誌] D. Kim, T. Karasawa, I. Akai, T. Komatsu: "Exciton Transitions and Exciton-Phonon Interaction in BiI_3 and SbI_3 Nanostructures" Proceedings of The 2nd Asia Symposium on Condensed Matter Photophysics. 165-168 (1996)
• [文献書誌] M. Aihara, T. Iida: "Optical Josephson Effect in Semiconductors" Phys. Rev. Lett.77. 3597-3600 (1996)