| 研究課題/領域番号 |
18K03497
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| 研究機関 | 兵庫県立大学 |
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研究代表者 |
長谷川 尊之 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (00533184)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | テラヘルツ電磁波 / キャリア輸送 / プラズモン / 光学フォノン / キャリアダイナミクス / 超高速現象 |
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| 研究実績の概要 |
光励起キャリアの輸送過程およびプラズモン振動に起因した2成分のテラヘルツ電磁波放射応答の共存特性を解明することを目的としており、今年度はGaAs多層膜から放射されるテラヘルツ電磁波を電気光学サンプリング法によって様々な条件下で測定した。以下に得られた研究成果を示す。
1. n型GaAs上に非ドープGaAs層（厚み200 nm）をエピタキシャル成長させたGaAs多層膜を試料として、非ドープ層の内蔵電場（28 kV/cm）に由来した光励起キャリア輸送過程および縦光学フォノン・プラズモン結合（LOPC）モードによるテラヘルツ電磁波放射を励起源であるフェムト秒レーザーの光子エネルギーに対して系統的に測定した。その結果、2成分の放射強度比が光子エネルギーで変化することを明らかにした。その起源を調査するために、フーリエ変換強度スペクトルの形状解析を行った。キャリア輸送成分についてはモンテカルロシミュレーションを使用し、LOPCモード成分についてはプラズモン・フォノンモード結合方程式に基づく強度スペクトルの理論式を用いた。以上の解析から、光励起キャリアの空間分布を反映した内蔵電場の遮蔽効果が放射強度比の変化の一要因であることが示唆された。
2. 非ドープ層厚が500 nm（内蔵電場強度は12 kV/cm）のGaAs多層膜を対象に1と同様の実験を行い、LOPCモードの放射強度が非ドープ層厚に強く依存することを明らかにした。また、本実験結果についても、1で述べた解析方法によって半定量的に説明することができた。
3. プラズモン・フォノンモード結合方程式の数値計算によって、テラヘルツ電磁波時間波形の形状解析を行った。これにより、光励起キャリア輸送過程とLOPCモードのテラヘルツ電磁波放射開始時間が異なることが示された。
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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
2成分のテラヘルツ電磁波放射応答をさまざまな条件下で精密に測定するために、既設のテラヘルツ時間領域分光システムの追加整備を行った。主に以下 3 つの整備を実施した。(1)励起光源であるモード同期チタンサファイア共振器の光学系を最適化し、これまでよりも短い時間幅のパルスを発生できるようにした。(2)窒素パージボックス内部の部品を改良して、パージ作業時間を短縮した。(3)光学系を構成するミラーの種類等を検討し、分散補償の最適化を行った。以上の追加整備は、おおむね計画通りに達成した。
実験面では、非ドープ層厚（内蔵電場強度）の異なる2種類のGaAs多層膜を対象として、キャリア輸送過程およびLOPCモードによるテラヘルツ電磁波時間波形を、励起レーザーの光子エネルギー、強度、および時間幅に対して系統的に測定することに成功した。理論面では、第1に、2成分の放射強度比のメカニズムについての考察を行うために、強度スペクトルの解析方法を構築した。第2に、テラヘルツ電磁波放射ダイナミクスの解析を行うために、プラズモン・フォノンモード結合方程式に基づいた時間波形の形状解析方法を構築した。以上の結果から、2成分共存下テラヘルツ電磁波放射応答に関する様々な知見が得られた。特に、時間波形の解析から示された放射開始時間の違いは、次年度の調査事項の一部であったので、今後の研究に大いに役立つ知見である。
以上の理由から、現在までの進捗状況は「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
テラヘルツ電磁波の強度スペクトルおよび時間波形の解析から2成分共存下放射応答に関する様々な知見が得られることが示されたので、解析方法の追加検討と解析結果の考察を継続して行い、共存特性を定量的に明らかにする。
キャリア輸送過程およびLOPCモード振動は、電子系および格子系における異なる相互作用によって特徴づけられているものなので、それらのテラヘルツ電磁波放射ダイナミクスにおいては周波数や強度以外にも様々な違いがあることが予想される。今後は、2成分のテラヘルツ電磁波放射の放射開始時間の違いに焦点を置いて、これを実験的に調査する。そのために、光学系を追加整備して、ダブルパルス励起下でのテラヘルツ電磁波放射応答の測定を行う。実験結果は、上述のプラズモン・フォノンモード結合方程式等に基づいて考察する。以上の方法により、2成分共存下特有の電磁波放射応答を特徴づけるメカニズムを明らかにしていく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
成果発表のための費用として確保していた助成金の一部を次年度使用とした。その理由は、解析結果の考察に更に時間が必要だと判断して3月の学会発表を1件延期したためである。よって、次年度に同じ目的（成果発表のための費用）で使用する予定である。
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