電子励起による原子分子操作の理論

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11222204
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 萱沼 洋輔 大阪府立大学, 工学研究科, 教授 (80124569)
• 研究分担者: 篠塚 雄三 和歌山大学, システム工学部, 教授 (30144918) ; 吉田 博 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30133929) ; 田中 智 大阪府立大学, 総合科学部, 助教授 (80236588)
• キーワード: 電子励起原子移動 / 励起状態ダイナミックス / 内殻励起 / 同時ドーピング / ZnO / 第一原理計算 / 低抵抗p型化 / 欠陥反応

研究概要

1.価電子および内殻励起状態における超高速原子移動のスペクトル理論(萱沼・田中)
3フッ化ホウ素、4フッ化炭素などの分子の、内殻共鳴励起状態における分子解離のダイナミックスとオージエ電子スペクトルの理論を作り、実験の解析をおこなった。ダイヤモンドの1s内殻励起子共鳴下でのオフセンター緩和と、共鳴x線発光スペクトルの理論を展開した。これらは、擬ヤーン・テラー効果に基づくモデルにより、強く局在した電子励起状態に生ずる「対称性の自発的破れ」として統一的に理解できることを明らかにした。
可視光領域での超高速分光に関連して、局在電子のフエムト秒ポンプ・プローブ分光に広く見られる、長時間にわたる透過利得の振動成分の起源を、電子格子相互作用のモデルにより明らかにした。サブピコ秒パルスにより、フォノンの真空(基底状態)にホールが作られ、このホールが息をするようにその幅を振動させながら緩和するために、誘導透過利得に長時間の振動が生じることを示した。また、1次元系の励起子自己束縛の時間発展を時間依存変分法により調べ、その時間分解発光スペクトルの理論を構築した。
2.ワイドギャップ半導体における同時ドーピングの理論(吉田)
第一原理計算により、スーパーセル法を用いてZnOのp型やn型ドーパントの補償機構の解明を行った。その結果、Ga,Al,およびInドナーと、Nアクセプターを1:2の割合で同時ドープするとN-Ga-N複合体が形成され、これが安定なアクセプターとして高濃度まで有効に機能することを予言した。実験的には、マテリアルデザインに基づき、レーザーMBE法によりNとGaの同時ドーピングを行い、キャリアー濃度4×10^(19)cm^(-3)の低抵抗p型ZnOを製作することに成功した。
この第一原理計算に基づき、ZnOやGaNなどのワイドギャップ半導体の新しい価電子制御法を見い出した。同時ドーピング法によりMnをドープしたZnOなどで、高濃度のホールドーピングを達成することにより、キャリア誘起の強磁性を発現しうることを示し、スピントランジスターなど将来のスピントロニクスへの応用を議論した。
3.半導体中の点欠陥における無輻射過程のダイナミックスおよび混晶半導体量子井戸の電子状態(篠塚)
点欠陥におけるキャリアーのコヒーレントな連続的捕獲・再結合の過程が重要であることを提案し、欠陥反応のダイナミックスを議論した。また、混晶半導体の量子井戸の電子状態を、コヒーレントポテンシャル近似に基づいて明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] K.Noba and Y.Kayanuma: "Theory of Urbach Tail for Ferroelectric Materials with Order-Disorder Type Phase Transition"J.Luminescence. 87-89. 229-231 (2000)
• [文献書誌] S.Tantaka and Y.Kayanuma: "Time-Dependent Variational Approach to the Dynamics of Exciton Self-Trapping"J.Luminescence. 87-89. 936-938 (2000)
• [文献書誌] Y.Kayanuma and Y.Mizumoto: "Ladau-Zener transitions in a level-crossing system with periodic modulations of the diagonal energy"Phys.Rev.A. 62・6. 061401-1-061401-4 (2000)
• [文献書誌] Y.Kayanuma and S.Tantaka: "Breathing spectral holes in the vacuum of phonons in femtosecond pump-probe experiments"Phys.Rev.B. 62・19. 12838-12842 (2000)
• [文献書誌] Y.Kayanuma: "Hydrogenic impurity states at a semiconductor edge"Phys.Rev.B. 62・23. 15234-15336 (2000)
• [文献書誌] K.Ueda et al.: "Dynamical Auger emission induced by multi-state vibronic coupling in the core-excited states of the BC13 molecule"Phys.Rev.Lett.. 85・15. 3129-3132 (2000)
• [文献書誌] K.Noba et al.: "Optoical Responses for One-Dimensional Excitons in Correlated Random Potentials"Proc.Int.Conf.on Excitonic Processes in Condensed Matter. (To be published.).
• [文献書誌] Y.Kayanuma and S.Tantaka: "Ultrafast Atomic Displacements in Optical and X-Ray Spectroscopies"Proc.Int.Conf.on Excitonic Processes in Condensed Matter. (To be published.).
• [文献書誌] Y.Kayanuma and K.Noba: "Wiener-Hermite Expansion Formalism for the Stochastic Model of a Driven Quantum System"Chemical Physics. (To be published.).
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida et al.: "Material Design for the Low-Resistivity p-Type ZnO and Transparent Ferromagnet with Transition Metal Doped ZnO: Prediction vs Experiment"MRS Symposium Proc.. 623. 65-75 (2000)
• [文献書誌] T.Yamamoto and H.Katayama-Yoshida: "Control of Valence States in ZnO by Codoping Method"MRS Symposium Proc.. 623. 223-234 (2000)
• [文献書誌] K.Sato and H.Katayama-Yoshida: "Material Design for Transparent Ferromagnets with ZnO based Magnetic Semiconductors"Jpn.J.Appl.Phys.. 39・6B. L555-L558 (2000)
• [文献書誌] K.Shirai and H.Katayama-Yoshida: "Effects of Geometricies of Boron-Rich Crystals on the Lattice Dynamics"J.Solid Chemistry. 154. 20-50 (2000)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida and T.Yamamoto: "Theoretical Prediction for Codoping Properties in Wide Band-Gap Semiconductors"Jpn.J.Appl.Phys.. (To be published.).
• [文献書誌] Y.Shinozuka: "Multiple Coherent Nonradiative Recombination Mechanism of Defect Reactions in Semiconductors"Proc. 25^<th> Int.Conf.on the Physics of Semiconductors. (To be published.).
• [文献書誌] Y.Shonozuka et al.: "Properties of a Quantum Well of Al-xBx Alloy Semiconductor in the Coherent Potentis Apptoximation"MRS Proc.on GaN and Related Alloys. (To be published.).
• [文献書誌] 吉田博 他: "ワイドギャップ半導体の新しい価電子制御法:予測と実験"まてりあ. 36・9. 749-756 (2000)
• [文献書誌] 吉田博 他: "熱非平衡結晶成長における同時ドーピング法による新しい価電子制御法とスピン制御法"日本結晶成長学会誌. 27・4. 232-240 (2000)
• [文献書誌] 萱沼洋輔(共著): "物性研究"物性研究刊行会. 32 (2000)
• [文献書誌] 萱沼洋輔(共著): "新しい放射光の科学-内殻励起が拓く新物質科学、第8章"講談社. 22 (2000)
• [文献書誌] 吉田博(共著): "新しい放射光の科学-内殻励起が拓く新物質科学、第7章"講談社. 25 (2000)