| 研究課題/領域番号 |
21K14544
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
嶋 紘平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40805173)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 酸化亜鉛 / 励起子 / 励起子ポラリトン |
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| 研究実績の概要 |
①水熱合成バルク酸化亜鉛単結晶を機械的にないしは化学的にエッチングして薄膜化し、光の波長程度の厚さの酸化亜鉛活性層を形成する方法を発展させた。化学機械研磨ないしは反応性イオンエッチングにより酸化亜鉛の表面近傍に導入され、励起子寿命を悪化させる要因となる構造欠陥ないしは空孔型欠陥等を、X線光電子分光、X線回折、時間分解フォトルミネッセンス法等により定量し、それらの導入を最小限に抑えるプロセス条件を見出した。本成果は、国際学会（International Workshop on UV Materials and Devices）、国内学会（応用物理学会）、査読付き学術論文（査読中）により成果を発表した。
②光励起型の酸化亜鉛微小共振器を作製し、角度分解反射測定により共振器ポラリトンの上枝・下枝のエネルギー分散を測定した。構造の不完全性により一部の観測角度におけるエネルギー計測には至っていないが、共振器ポラリトンの安定性指標であるラビ分裂量は、これまで報告されている実験値の最大値（130 meV）よりも数十 meV高いことを確認した。ポラリトンレーザの室温動作に直結する重要な成果であると考えられる。
③反応性ヘリコン波励起プラズマスパッタ法によりp型酸化ニッケル薄膜を堆積し、堆積温度、酸素混合率等が酸化ニッケル薄膜の電気特性、結晶配向、光透過率などに与える影響を詳細に評価した。低い比抵抗と高い近紫外線透過率を両立させるp型酸化ニッケル薄膜の堆積条件を見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
共振器ポラリトンのボーズ凝縮の観測には至っていないため。共振器ポラリトンの励起密度を高めるための計測装置の立ち上げに時間を要している。一因として、2022年3月16日に発生した福島県沖地震（震度6強、M7.4）により、本研究に関わる実験設備が甚大な被害を受け、復旧に時間を要したことが挙げられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
①光励起型の酸化亜鉛微小共振器において、角度分解反射測定により上枝および下枝ポラリトンのエネルギー分散の計測を行う。共振器ポラリトンの安定性指標であるラビ分裂量は、これまで報告されている実験値の最大値が130 meVであるため、本研究では理論値の191 meVに近いラビ分裂量を計測できるよう微小共振器のチューニングを行う。また、光励起密度を高めた場合の、共振器ポラリトンのボーズ・アインシュタイン凝縮とコヒーレント光発振を目指す。デバイス表面に分布ブラッグ反射鏡が存在するため光励起により強励起することが難しい場合は、電子線などを使って強励起を試みる。
②電流注入型の酸化亜鉛微小共振器において、p型酸化ニッケル層をチューニングしエレクトロルミネッセンスおよび共振器ポラリトン観測を目指す。p型NiO層の導電性と透明性はそれぞれ酸化亜鉛活性層への正孔の注入効率と発光の取り出し効率に関わるが、トレードオフの関係であるため製膜条件のチューニングを慎重に行う。最終的に、電流注入による酸化亜鉛ポラリトンレーザのコヒーレント光発振を世界で初めて達成したい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2022年3月16日に発生した福島県沖地震（震度6強、M7.4）で本研究に関わる実験設備が甚大な被害を受けた。その復旧費用の一部に本研究予算を急遽計上せざるを得なかったが、そのうち一部が学内の別予算で補充可能であることが2023年2月1日に急遽決定した。そのため、年度当初に予定していた予算執行計画に18,566円分の余裕が出たが、年度末までに有効に使い切る必要性がないと考えられたことから、来年度に繰り越す予定である。実験に使用する酸化亜鉛基板などの消耗品として有効活用する。
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