| 研究課題/領域番号 |
17H02778
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| 研究機関 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 |
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研究代表者 |
高橋 正光 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, グループリーダー(定常) (00354986)
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| 研究分担者 |
Voegeli Wolfgang 東京学芸大学, 教育学部, 助教 (90624924)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 高速X線回折 / X線逆格子マップ / 結晶成長 |
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| 研究実績の概要 |
結晶成長は、ナノ秒から数十秒以上にわたる時間スケールの現象が階層をなす、本質的にマルチスケールな現象である。その中で、ミリ秒スケールの転位発生メカニズムは、結晶品質を決定づける重要な現象であるものの、これらをリアルタイムで直接観測することは極めて困難とされてきた。本研究では、申請者らが従来開発してきた結晶成長中その場放射光X線回折測定において、律速となっていた機械的回転部を排し、多角度同時分散型X線光学系を採用することで、ミリ秒スケールの超高速X線回折を実現する。これにより、窒化物半導体をはじめとする格子不整合系の転位発生メカニズムを解明し、新規転位制御技術への展開をはかることを目的としている。
平成29年度は、放射光施設SPring-8の量子科学技術研究開発機構専用ビームラインBL11XUに適合した多角度同時分散光学系を導入し、ミリ秒の時間分解能でX線逆格子マップを測定するシステムを構築した。多角度同時分散光学系は、上流より、それぞれ自動ステージ上に搭載された (1) V字チャンネルカットシリコン結晶、(2) 円筒面シリコン結晶、(3)湾曲シリコン結晶の三つの光学要素から構成され、一次元方向に角度発散を持ちつつ、試料上に集光する単色X線ビームが作成される。光学系全体の設計にあたっては、光線追跡計算をおこない、各光学素子の形状や曲げ量などを決定した。放射光ビームラインへの設置後、各光学コンポーネントの後のX線ビームを二次元検出器で確認しつつ、光学系の調整手順を探索した。
調整後の角度発散ビームを評価するため、あらかじめ成長させたInGaAs/GaAs(001)薄膜のX線逆格子マッピングを測定し、100ミリ秒以下の測定時間が可能であることを確認した。一方で、光学コンポーネント、とくにV字チャンネルカットシリコン結晶の安定性の改善および反射率の向上に課題があることも確認された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度は、放射光施設SPring-8の量子科学技術研究開発機構専用ビームラインBL11XUに適合した多角度同時分散光学系を導入し、ミリ秒の時間分解能でX線逆格子マップを測定するシステムを構築することが目標であった。光線追跡計算等を援用した検討を進める過程で、当初想定していた設計に変更を加え、当該ビームラインに適合したコンパクトな光学系を実現することができた。一部の光学コンポーネントには、安定性や性能向上の観点から改良の余地があるものの、研究目的の達成を大きく妨げるものではなく、計画はおおむね順調に進んでいると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
光学系の改良のために、光学コンポーネントの一つであるV字チャンネルカットシリコン結晶の設計に改良を加えるとともに、反射強度をモニターする機構を追加し、安定性の向上をはかる。
一方で、本光学系を分子線エピタキシャル成長のその場X線逆格子マッピングに応用し、結晶成長メカニズムの解明を進めていく。従来手法による知見が豊富なInGaAs/GaAs(001)薄膜成長をはじめ、応用上の観点から重要性の高いInGaN/GaN(0001)成長への適用も進める。これら格子ひずみ系の転位発生メカニズムをミリ秒スケールの超高速X線回折によって解明し、転位制御技術の提案へとつなげていく。
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