共鳴電子ラマン遷移を用いたゲルマニウムの光利得とバンド間遷移レーザーへの応用

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02773
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 深津 晋 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (60199164)
• 研究分担者: 安武 裕輔 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (10526726)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: ゲルマニウム / 共鳴電子ラマン遷移 / 光利得 / 量子閉じ込め / バレー選択励起 / バレー間散乱 / 円偏光フェムト秒励起相関法 / Germanane

研究実績の概要

ゲルマニウムは通信波長帯適合のバンドギャップを有し、CMOSプロセスとの高親和性からⅣ族半導体モノリシック光集積回路に搭載される光増幅器・エミッタの光活性物質として期待されている。ゲルマニウムの擬似直接遷移化のスキームは、超高伸長歪の印加や電子の過剰ドーピングがバンドギャップ縮小を引き起こすことで発生する意図しない中赤外領域へのエネルギーシフトの問題を抱えている。ところでマルチバレー物質のゲルマニウムではバレー間散乱が支配的である。特定の電子バレーを光励起するとバレー間散乱駆動の電子ラマン遷移がバンド間光学遷移由来の蛍光を凌駕して活性化する実験事実が本研究によって見いだされた。最終年度では、このバレー選択電子励起法を軸として動的3準位過程である電子ラマン遷移を介在した誘導放出光発生に関する物性研究に注力した。次の４項目に関して独自性の高い要素技術の確立と緊密な連携によって電子ラマン遷移(ER)介在の光利得発現の実証を試みた。
(1)歪制御と励起条件最適化によりスプリットオフ(SO)正孔の共鳴ER遷移の条件を洗い出し、ポンプ・プローブ法によるER遷移介在の光増幅(負の吸収)を観測。
(2)光スピン(円偏光)敏感なER遷移の特性を利用して円偏光フェムト秒相関励起法を発案・実践し、時間領域におけるSO-ER遷移のスペクトル弁別に初めて成功。
(3)歪制御と別次元の手法によるエネルギーギャップ制御とSWIR領域動作を指向し、Germanane多層構造における劇的なバンド構造改変と電気特性向上、トップダウン手法による極薄膜ゲルマニウム形成と量子閉じ込め効果の実証を達成した。
(4)光共振器構造とゲルマニウムの機械歪制御機構を融合することで、ER介在の誘導放出光発生を示唆するスペクトルフリンジの観測を成し遂げた。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Synthesis of a Black Dye with Absorption Capabilities Across the Visible-to-Near-Infrared Region: A MO-Mixing Approach via Heterometal Coordination of Expanded Porphyrinoid (2020)
  • 著者名/発表者名: Yue Wang, Hiroto Kai, Masatoshi Ishida, Sabapathi Gokulnath, Shigeki Mori, Tomotaka Murayama, Atsuya Muranaka, Masanobu Uchiyama, Yuhsuke Yasutake, Susumu Fukatsu, Yusuke Notsuka, Yoshihisa Yamaoka, Mamiko Hanafusa, Michito Yoshizawa, Gakhyun Kim, Dongho Kim, Hiroyuki Furuta
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 6807-6813
  • DOI: 10.1021/jacs.0c01824
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ambipolar transistor action of germanane electric double layer transistor (2019)
  • 著者名/発表者名: Yumiko Katayama, Ryoto Yamauchi, Yuhsuke Yasutake, Susumu Fukatsu, Kazunori Ueno
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 ページ: 122101-1 -5
  • DOI: 10.1063/1.5094817
  • 査読あり
• [雑誌論文] Doubly N‐Confused Calix [6] phyrin Bis‐Organopalladium Complexes: Photostable Triplet Sensitizers for Singlet Oxygen Generation (2019)
  • 著者名/発表者名: Poornenth Pushpanandan, Dong‐Hoon Won, Shigeki Mori, Yuhsuke Yasutake, Susumu Fukatsu, Masatoshi Ishida, Hiroyuki Furuta
  • 雑誌名: Chemistry-An Asian Journal 巻: 14 ページ: 1729-1736
  • DOI: 10.1002/asia.201801671
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum-Enhanced Magneto-optic Measurements in a Dissipative Medium (2019)
  • 著者名/発表者名: Youhei Okawa, Shiho Morimoto, Yuhsuke Yasutake, Susumu Fukatsu
  • 雑誌名: Quantum Information and Measurement (QIM) V: Quantum Technologie 巻: T5A.37 ページ: 1~2
  • DOI: 10.1364/QIM.2019.T5A.37
  • 査読あり
• [学会発表] Ultrathin-body GeOIの円偏光フォトルミネセンス (2020)
  • 著者名/発表者名: 公平 拓見、安武 裕輔、張 文馨、石井 裕之、入沢 寿史、内田 紀行、前田 辰郎、深津 晋
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 有機無機ペロブスカイトにおける光誘起局所構造相転移 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中 陽、安武 裕輔、深津 晋
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Relevance of hidden Valleys in the Dequenching of Room-temperature-emitting Ge Layers (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Sakamoto, Yuhsuke Yasutake, Junichi Kanasaki, Susumu Fukatsu
  • 学会等名: AVS 66th International Symposium & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] 伸長歪制御した面直ファブリペロー共振器中Geからの発光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 安武 裕輔、一色 史雄、 深津 晋
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Ultrathin-body GeOI の量子閉じ込め直接遷移端蛍光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 公平 拓見、安武 裕輔、張 文馨、石井 裕之、入沢 寿史、内田 紀行、前田 辰郎、深津 晋
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ゲルマニウムにおける励起電子系の超高速緩和動力学：エネルギー・運動量空間におけるバレー間散乱の重要性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金崎 順一、山本 勇、東 純平、深津 晋、Sjakste Jelena、Vast Nathalie
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 有機無機ペロブスカイトのアンチストークス蛍光の温度依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中 陽、安武 裕輔、深津 晋
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 有機無機ペロブスカイト単結晶への光学的スピン注入 (2019)
  • 著者名/発表者名: Ren Zhaoli、安武 裕輔、深津 晋
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Quantum-Enhanced Magneto-optic Measurements in a Dissipative Medium (2019)
  • 著者名/発表者名: Yohei Okawa, Shiho Morimoto, Yuhsuke Yasutake, Susumu Fukatsu
  • 学会等名: Quantum Information and Measurement (QIM) V: Quantum Technologies
  • 国際学会
• [備考] 成果・情報発信用研究室ホームページ
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/fkatz/