光誘起構造相転移動力学の研究

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19001002
• 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: 那須 奎一郎 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, シニアフェロー (90114595) ; 吉田 博 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (30133929) ; 金崎 順一 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (80204535) ; 石丸 学 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (00264086) ; 楊 金峰 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (90362631)
• キーワード: 光誘起構造相転移 / フェムト秒時間分解分光 / 時間分解電子回折 / 走査型トンネル顕微鏡 / 励起状態第一原理分子動力学 / 励起状態動力学 / RFフォトカソード / 電子顕微鏡

研究概要

本年度は、4つの分担課題を有機的に遂行し、以下に述べる重要な成果を達成した。
まず、昨年度に完成させた超高速時間分解電子回折装置は、時間分解能90fsを有し、サブミクロンの厚さの種々の試料に対して単一パルスでの鮮明な透過電子回折パターンの観測が可能である。この装置を用い、半導体結晶における高密度励起下での秩序-無秩序相転移現象の機構解明の研究を展開した。結晶方位と励起レーザー光の偏光方向を制御して非等方励起を行い、その際に発生する<110>方向に発生する動的格子変形を直接検出することに成功した。これは、本装置のもう一つの特徴である極小散乱角回折能を駆使した画期的成果であり、相転移機構解明に直結する。
第二に、本研究の大きな成果である第三の炭素凝縮相(Daiaphite)創成機構に関し、理論的研究で予測した層間結合発生に対する初期条件敏感性を実験的に解明した。励起波長に対する生成効率の依存性、および励起パルスの時間幅に対する動的局在確率の依存性、を走査型トンネル顕微鏡観察によって明らかにし、グラファイトの光誘起構造相転移の初期過程をほぼ完全に解明した。これらの成果は、現在論文投稿中である。
第三に、構造相転移を誘起する励起状態の超高速緩和過程を、フェムト秒2光子光電子分光法を駆使して研究を展開し、Si結晶中の価電子系に注入された正孔のバンド内緩和と熱化過程等の超高速動力学を運動量・エネルギー・時間の空間内で完全に解明した。
第四に、フェムト秒時間分解分光の手法を駆使し、擬一次元電荷移動誘起錯体中の高温相中への低温相ドメイン注入の初期過程、および、電子相間効果が重要な役割をはたすVO2結晶の非金属-金属相転移機構の2段階相転移過程の発現を明らかにした。これらは、現在論文執筆中である。
これらの成果をさらに発展させ、来年度(最終年度)中には、当初計画以上の先進的成果を達成する。

研究成果

• [雑誌論文] Ultrafast carrier dynamics on Si surfaces by time-resolved two-photon photoemission spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tanimura
  • 雑誌名: 生産と技術 巻: 63 ページ: 64-66
• [雑誌論文] Transmission-electron diffraction by MeV electron pulses with femtosecond temporal resolution (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Murooka, N.Naruse, S.Sakakihara, M.Ishimaru J.Yang, K.Tanimura
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett 巻: (accepted)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast relaxation of highly excited electrons in Si : Roles of the L-X intervalley scattering (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Ichibayashi, S.Tanaka, J.Kanasaki, K.Tanimura, Thomas Fauster
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: (accepted)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Femtosecond pulse radiolysis and femtosecond electron diffraction (2011)
  • 著者名/発表者名: J.Yang, K.Kan, T.Kondo, Y.Yoshida, K.Tanimura, J.Urakawa
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Method Phys.Res.A 巻: (accepted)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast pulse radiolysis (2011)
  • 著者名/発表者名: J.Yang, T.Kondoh, K.Kan, Y.Yoshida
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Method, Phys.Res.A 巻: 629 ページ: 6-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental evidence of homonuclear bonds in amorphous GaN (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru, Y.Zhang, X.Wang, W.-K.Chu, W.J.Weber
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 109 ページ: 043512(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Radiation-induced chemical disorder in covalent materials (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru, Y.Zhang, W.J.Weber
  • 雑誌名: Proceedings of Materials Research Society Symposium 巻: (accepted)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of higher manganese silicides from amorphous manganese-silicon layers synthesized by ion implantation (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Naito, R.Nakanishi, N.Machida, T.Shigematsu, M.Ishimaru, J.A.Valdez, K.E.Sickafus
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Method, Phys.Res.B 巻: (accepted)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphite-diamond phase transition induced by interlayer charge transfer exciton in visible region (2011)
  • 著者名/発表者名: Keita Nishioka, Keiichiro Nasu
  • 雑誌名: Phys.Status Solidi B 巻: 248 ページ: 495-500
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-Induced Structural Transition and Enhancement of Energy Gap of CuAlO2 (2011)
  • 著者名/発表者名: Akitaka NAKANISHI, Hiroshi KATAYAMA-YOSHIDA
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn 巻: 80 ページ: 024706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nano-scale sp^2-sp^3 conversion by visible lights irradiation and photoinduced phase transitions (2010)
  • 著者名/発表者名: L.Radosinski, K.Nasu, J.Kanasaki, K.Tanimura, A.Radosz, T.Luty
  • 雑誌名: Molecular electronic and related materials-Control and probe with light, edited by T.Naito, (Transworld Research Network, India) ページ: 281-303
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effect of van der Waals interactions on the properties of intrinsic defects in graphite (2010)
  • 著者名/発表者名: G.Teobaldi, H.Ohnishic, K.Tanimura, A.L.Shluger
  • 雑誌名: Carbon 巻: 48 ページ: 4145-4161
  • 査読あり
• [雑誌論文] The structure and properties of surface and sub-surface defects in graphite accounting for van der Waals and spin-polarization effects (2010)
  • 著者名/発表者名: G.Teobaldi, K.Tanimura, A.L.Shluger
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 82 ページ: 174104(1-14)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast Time-resolved electron diffraction based on photocathode RF gun generating MeV electron pulses (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Naruse, Y.Murooka, J.Yang, K.Tanimura
  • 雑誌名: Journal of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 7 ページ: 1-11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation study of sub-femtosecond electron bunch generation using photocathode rf gun linac (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Kan, J.Yang, T.Kondoh, K.Norizawa, A.Ogata, T.Kozawa, Y.Yoshida
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Method, Phys.Res.A 巻: 622 ページ: 35-40
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of an S-band RF gun with a Cs2Te photocathode for the KEK-ATF (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Terunuma, A.Murata, M.Fukuda, K.Hirano, Y.Kamiya, T.Kii, M.Kuriki, R.Kuroda, H.Ohgaki, K.Sakaue, M.Takano, T.Takatomi, J.Urakawa, M.Washio, Y.Yamazaki, J.Yang
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Method, Phys.Res.A 巻: 613 ページ: 1-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Damage and microstructure evolution in GaN under Au ion irradiation (2010)
  • 著者名/発表者名: Y.Zhang, M.Ishimaru, J.Jagielski, W.Zhang, Z.Zhu, L.V.Saraf, W.Jiang, L.Thome, W.J.Weber
  • 雑誌名: J.Phys.D : Applied Physics 巻: 43 ページ: 085303(1-9)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Radiation-induced metastable ordered phase in gallium nitride (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett 巻: 96 ページ: 191908(1-3)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observations of Ge_2Sb_2Te_5 recording marks in the phase-change disk (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Naito, M.Ishimaru, Y.Hirotsu, R.Kojima, N.Yamada
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 107 ページ: 103507(1-5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] sp^3 domain in graphite by visible light and photo-induced phase transitions (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nasu
  • 雑誌名: Colloquium, Eur.Phys.J.B 巻: 75 ページ: 415-430
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probing Ultrafast Dynamics of Polarization Clusters in BaTiO3 by Pulsed Soft X-Ray LaserSpeckle Technique (2010)
  • 著者名/発表者名: Kai Ji, Keiichiro Nasu
  • 雑誌名: Coherence and Ultra-short Pulse Laser Emission(ed.by F.J.Duarte)(In-Tech, Croatia) ページ: 561-582
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible domain-type collective dimerization of graphite induced by inter-layer charge transfer excitations in the visible region (2010)
  • 著者名/発表者名: L.Radosinski, K.Nasu, T.Luty, A.Radosz
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 81 ページ: 035417-16
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative domain-type interlayer sp^3-bond formation in graphite (2010)
  • 著者名/発表者名: Keita Nishioka, Keiichiro Nasu
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 82 ページ: 035440(1-7)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Monte Carlo study on electron-phonon coupling in monolayer grapheme (2010)
  • 著者名/発表者名: Kai Ji, Kaoru Iwano, Keiichiro Nasu
  • 雑誌名: J.Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 181 ページ: 189-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Materials Design of Spinodal Nanodecomposition in CuIn1-xGaxSe2 for High-Efficiency Solar Energy Conversion (2010)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa Tani, Kazunori Sato, Hiroshi Katayama-Yoshida
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 3 ページ: 101201(1-3)
  • 査読あり
• [学会発表] Concepts and perspectives on photo-induced phase transitions (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nasu
  • 学会等名: The first international conference of Asian union of magnetics societies (AUMS)
  • 発表場所: Jeju island, Korea(invited)
  • 年月日: 20101205-20101208
• [学会発表] Photocathode rf gun and its applications (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Yang
  • 学会等名: China-Korea-Japan Joint Workshop on electron/photonsources and applications
  • 発表場所: Shanghai, China(invited)
  • 年月日: 20101202-20101203
• [学会発表] Radiation-induced amorphous structures in covalent materials (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru
  • 学会等名: Materials Research Society 2010 Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, Massachusetts, USA(invited)
  • 年月日: 20101129-20101203
• [学会発表] Applications of femtosecond electron beams (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Yang
  • 学会等名: The 2nd joint Asian accelerator workshop : accelerator techniques and their applications
  • 発表場所: Pohang, Korea(invited)
  • 年月日: 20101129-20101203
• [学会発表] Graphite-diamond phase transition induced by inter-layer charge-transfer exciton in the visible region (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nasu
  • 学会等名: 10-th Japan-china joint symposium on conduction and photoconduction in organic solids and related phenomena
  • 発表場所: Co-op Inn Kyoto, Kyoto(invited)
  • 年月日: 20101017-20101020
• [学会発表] Photocathode femtosecond electron linac and its applications (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Yang, K.Kan, T.Kondoh, N.Naruse, Y.Murooka, K.Tanimura, Y.Yoshida, J.Urakawa
  • 学会等名: 25th International Linear Accelerator Conference
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 20100912-20100917
• [学会発表] Nanoscale phase separation in epitaxially-grown III-V alloys (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru
  • 学会等名: 8th Japanese-Polish Joint Seminar on Micro and Nano Analysis
  • 発表場所: Uji, Kyoto(invited)
  • 年月日: 20100905-20100908
• [学会発表] Magnetic properties and clustering of interstitial C atoms in multi-layer graphene a spin-polarized-vdW corrected-Density Functional Theory study (2010)
  • 著者名/発表者名: Gilberto Teobaldi, Katsumi Tanimura, Alex Shluger
  • 学会等名: European Conference on Surface Science ECOSS27
  • 発表場所: Groningen, Netherlands
  • 年月日: 20100829-20100903
• [学会発表] Computatilnal Materials Design of Spinodal Nanotechnology (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Katayama-Yoshida
  • 学会等名: International Union Materials of Research Societies-International Conference on Electronic Materials (IUMRS-ICEM)
  • 発表場所: Seoul, Korea(invited)
  • 年月日: 20100822-20100827
• [学会発表] Transmission electron microscopy study on radiation-induced structures in GaN (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru
  • 学会等名: 21st International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry
  • 発表場所: Fort Worth, Texas, USA(invited)
  • 年月日: 20100808-20100813
• [学会発表] Naturally-formed nanoscale phase separation. in epitaxially-grown III-V semiconductor alloys (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ishimaru, Y.Tanaka, S.Hasegawa, H.Asahi, K.Sato, T.J.Konno
  • 学会等名: Microscopy and Microanalysis 2010
  • 発表場所: Portland, Oregon, USA
  • 年月日: 20100801-20100805
• [学会発表] Models of intrinsic defects in graphite accounting for van der Waals interactions (2010)
  • 著者名/発表者名: Gilberto Teobaldi, Katsumi Tanimura, Alex Shluger
  • 学会等名: Dynamical processes in irradiated materials
  • 発表場所: San Sebastian, Spain
  • 年月日: 20100726-20100728
• [学会発表] Graphite-diamond phase transition induced by inter-layer charge-transfer exciton in the visible region (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nasu
  • 学会等名: 9-th International conference on excitonic and photonic processes in condensed and nano-materials
  • 発表場所: Novotel, Brisbane, Australia(invited)
  • 年月日: 20100712-20100715
• [学会発表] Photocathode femtosecond beam applications : femtosecond pulse radiolysis and femtosecond electron diffraction (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Yang, K.Kan, T.Kondoh, N.Naruse, Y.Murooka, K.Tanimura, Y.Yoshida, J.Urakawa
  • 学会等名: International Particle Accelerator Conference (IPAC'10)
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 20100523-20100528
• [学会発表] フェムト秒時間分解透過型電子回折法による構造相転移ダイナミクス (2010)
  • 著者名/発表者名: 谷村克己
  • 学会等名: 第30回表面科学学術講演会・第51回真空に関する連合後援会合同後援会
  • 発表場所: 大阪(招待講演)
  • 年月日: 2010-11-06
• [備考]
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aem/Projects.html