光熱変換技術を用いた結晶粒界などで光散乱の多い半導体薄膜の光吸収スペクトル測定

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22560024
• 研究機関: 宮崎大学
• 研究代表者: 碇 哲雄 宮崎大学, 工学部, 教授 (70113214)
• キーワード: 光熱変換スペクトル / 半導体薄膜材料 / 光散乱

研究概要

この研究では、光励起されたキャリアの非輻射再結合過程において生じる熱を、圧電素子を検出器として計測する実験手法である高感度PPTS法(光熱変換分光法)を開発し、大きな結晶粒界や組成変動をもつ薄膜半導体光デバイス材料の光吸収スペクトルを測定可能にする事を目的としている。
23年度に測定を行った代表的な試料として、(1)二種類の化学結合状態が複雑に混じっているが、化学的安定性、高い硬度、低摩擦性等の性質を有しているため種々の分野で利用が期待されるダイヤモンド様炭素(diamond like carbon)、(2)低コスト太陽電池に活用されている多結晶シリコン薄膜、(3)微粒子構造を取って光起電力が飛躍的に増加するため、色素増感太陽電池への活用が期待されるTiO2薄膜、そして、(4)光電子結合型超LSI作製技術へも応用が期待されるGaAsナノワイアがあげられる。これらのうち、(1)-(3)については、薄膜中にgrain boundaryや僅かの異相が存在するため光散乱の影響が大きく、透過測定など通常の光学的測定技術ではその吸収係数スペクトルを得ることが出来ない。また、(4)についても、量子ナノ構造のため、同様に試料表面での散乱が大きく寄与し、光学物性測定が極めて難しい。
そこで、本研究課題の主要な測定手法である独自のPPTS測定を室温から低温までの温度範囲で行い、散乱光の影響を取り除いて光学的性質を明らかにすることが出来た。これらの成果は5編の国際的学術論文として公表すると共に、欧州材料学会(E-MRS)シンポジウムや、ダイヤモンドに関する国際会議においてOralまたはPosterで発表し、外国の研究所の注目を引くことが出来た。

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

光散乱効果が大きく、通常の光学的測定手法では測定が出来ない試料に対して、申請者が独自に開発している光熱変換分光(PPT)法を活用してこれらの光学物性を明らかにし、予測された目標に向かって順調に進んでいるため。

今後の研究の推進方策

最終年度の目標としては、多種の試料について実施した実験結果をまとめることで最終目標である新しい実験手法の確立を行う。なお、散乱が多いため得られた信号強度が弱く雑音が大きかったため、より精度の高い実験を行うために24年度前半に光学系の改良を行う事が必要である。

研究成果

• [雑誌論文] Investigation of the photovoltaic performance of the polycrystalline silicon p-n junction by a photothermal measurement (2012)
  • 著者名/発表者名: Fukuyama, A., Ishibashi, D., Sato, Y.,Sakai, K., Suzuki, H., Nishioka, K.,Ikari, T.
  • 雑誌名: Journal of Non-Crystalline Solids 巻: 358 (17) ページ: 2206-2208
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2011.11.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of exciton binding energy of GaInNAs quantum well structures by piezoelectric photothermal spectroscopy compared with photoreflectance measurements (2011)
  • 著者名/発表者名: Kashima, K., Fukuyama, A., Sakai, K., Yokoyama, H., Kondow, M., Ikari, T.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 50(6) ページ: 06GH09(4)
  • DOI: 10.1143/JJAP.50.06GH09
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of silicon doping on the photoluminescence and photoreflectance spectra of catalyst-free molecular beam epitaxy-vapor liquid solid grown GaAs nanowires on (111)Si substrate (2011)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, A., Mori, T., Fukuyama, A., Ikari, T., Paek, J.-H., Yamaguchi, M.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 50(6) ページ: 06GH08(4)
  • DOI: 10.1143/JJAP.50.06GH08
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of the molecular weight of a polyethylene glycol on the photoluminescence spectra of porous TiO2 films for dye-sensitized solar cells (2011)
  • 著者名/発表者名: Sakai, K., Hirashita, Y., Aihara, T., Fukuyama, A., Ikari, T, Kukita, K., Furukawa, S.
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 519(17) ページ: 5760-5762
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2010.12.205
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature dependence of the optical gap of diamond-like carbon films investigated by a piezoelectric photothermal spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: Ding, W., Nakano, Y., Yamamoto, R., Sakai, K., Nakazawa, H., Fukuyama, A., Ikari, T.
  • 雑誌名: Energy Procedia 巻: 10 ページ: 66-7Q
  • DOI: 10.1016/j.egypro.2011.10.154
  • 査読あり
• [学会発表] Temperature dependence of the optical gap of diamond-like carbon films investigated by a piezoelectric photothermal spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: Ding, W., Nakano, Y., Yamamoto, R., Sakai, K., Nakazawa, H., Fukuyama, A., Ikari, T.
  • 学会等名: Int.Conf.Diamond and Carbon Materilas, 20
  • 発表場所: Garmisch-Partenkirchen, Germany
  • 年月日: 20110904-20110911
• [学会発表] Investigation of deep trap centers by a temperature variation of the signal amplitude in the piezoelectric photothermal spectra (2011)
  • 著者名/発表者名: Koshiro Kashima, Susumu Yamamoto, Yosuke Nakano, Kentaro Sakai, Hidetoshi Suzuki, Makoto Inagaki, Masafumi Yamaguchi, Atsuhiko Fukuyama, Tetsuo Ikari
  • 学会等名: EMRS (European Materials Research Society) Spring meeting, 2011
  • 発表場所: Nice, France
  • 年月日: 20110509-20110513
• [学会発表] Photoluminescence and photothermal spectra of Cu(In,Ga)Se2 thin films by a sequential evaporation method (2011)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Mori, Akio Suzuki, Yutarou Motono, Wen Ding, Atsuhiko Fukuyama, Toshiyuki Yamaguchi, Tetsuo Ikari
  • 学会等名: EMRS Spring meeting, 2011
  • 発表場所: Nice, France
  • 年月日: 20110509-20110513
• [学会発表] Effect of N composition on temperature dependence of band gap energies of GaAsN thin films grown by Chemical Beam Epitaxy (2011)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yamamoto, Koshiro Kashima, Akio Suzuki, Hidetoshi Suzuki, Atsuhiko Fukuyama, Makoto Inagaki, Masafumi Yamaguchi, Tetsuo Ikari
  • 学会等名: EMRS Spring meeting, 2011
  • 発表場所: Nice, France
  • 年月日: 20110509-20110513
• [学会発表] Photoluminescence and photoreflectance studies of a silicon related impurity levels in catalyst free MBE-VLS grown GaAs nanowires on (111)Si substrate (2011)
  • 著者名/発表者名: Akio Suzuki, Takayuki Mori, Atsuhiko Fukuyama, Tetsuo Ikari, Ji-Hyun Paek, Masahito Yamaguchi
  • 学会等名: EMRS Spring meeting, 2011
  • 発表場所: Nice, France
  • 年月日: 20110509-20110513
• [備考]
  • URL: http://www.cc.miyazaki-u.ac.jp/mdeee03/ikari/IK_main01.htm