フェムト秒光電子分光法による半導体表面電子励起状態の動力学の研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440087
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 谷村 克己 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (00135328)
• 研究分担者: 石川 憲一 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (90288556) ; 宗像 利明 理化学研究所, 表面ダイナミクスユニット, 専任研究員 (20150873) ; 田中 慎一郎 大阪大学, 産業科学研究所, 助教授 (00227141)
• キーワード: フェムト秒2光子光電子分光 / 半導体表面 / 光誘起構造変化 / 原子放出

研究概要

本研究は、フェムト秒光電子分光法を用いて、共有性半導体表面に固有な擬2次元表面電子励起状態の動力学的に明らかにし、表面で発生する光誘起原子過程の原子レベルの知見との比較を通じて、半導体表面の励起物性を微視的観点から解明する事を目的とする。
本年度は、Si(001)-(2x1)を重点的な対象として、フェムト秒2光子光電子分光の研究に傾注すると同時に、走査型トンネル顕微鏡と超高感度放出中性粒子検出法を用いた光誘起原子過程の詳細な研究を行った。更に、知見の一般化を目的として、他のSi再構成表面、および化合物半導体表面InP(110)-(1x1)に関する研究も展開し、以下の成果を得た。
1)Si(001)-(2x1)における表面励起電子状態の動力学の解明
フェムト秒2光子光電子分光によって、Siダイマーのダングリングボンドに起因する表面非占有状態の電子動力学を、10^<-13>秒から10^<-9>秒の領域で研究した。その結果、結晶励起電子から表面状態への遷移過程を実時間軸上で初めて解明する事に成功し、遷移確率が励起密度に強く依存し、電子-電子散乱の寄与が極めて大きい事を明らかにした。
2)Si(001)-(2x1)における光誘起原子構造変化機構の解明
走査型トンネル顕微鏡と超高感度中性粒子検出法を併用し、この表面上における光誘起のボンド切断・原子放出が、表面上の2正孔局在過程によって発生する事を明らかにした。このボンド切断によって表面ダイマー層が選択的に除去され、通常の熱的処理では発生させえない新規構造層がほぼ完全な構造で出現する。
3)他の成果
Si(111)-(7x7)におけるフェムト秒レーザー励起による原子放出過程を研究し、2成功局在機構の妥当性を実証した。また、Si(111)-(2x1)においては、表面占有状態の特徴のために、最低エネルギーの価電子励起によっても、表面原子のボンド切断が効果的に発生することを明らかにした。更に、InP(110)-(1x1)における光誘起ボンド切断機構の全容を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] J.Kanasaki, K.Tanimura: "Laser-induced electronic desorption of Si atoms from Si(111)-(7x7)"Phys.Rev.B. 66. 125320-1-125320-5 (2002)
• [文献書誌] J.Kanasaki, M.Nakamura, K.Ishikawa, K.Tanimura: "Primary processes of laser-induced selective dimer-layer removal on Si(001)-(2x1)"Phys.Rev.Lett.. 89. 257601-1-257601-4 (2002)
• [文献書誌] J.Kanasaki, K.Tanimura: "Laser-induced electronic bond breaking and desorption on Si(001)-(2x1)"Surf.Sci.. 528. 127-131 (2003)
• [文献書誌] E.Inami, K.Ishikawa, J.Kanasaki, K.Tanimura: "Electronic bond rupture of Si atoms on Si(111)-(2x1) induced by 1.15-eV photon excitation"Surf.Sci.. 528. 115-120 (2003)
• [文献書誌] S.Tanaka, K.Tanimura: "Time-resolved two-photon photoelectron spectroscopy of Si(001)-(2x1) surface"Surf.Sci.Lett.. (in print).