半導体ナノ結晶中高密度励起子の多体効果とそのダイナミクス

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12640319
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 赤井 一郎 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (20212392)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 唐沢 力 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (90106336) ; 小松 晃雄 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (90047134)
• Keywords: 半導体ナノ構造 / 励起子 / 高密度励起 / 多体効果 / 光励起状態のダイナミクス / 非線形光学効果 / 発光性有機色素 / 物生物理学

Research Abstract

1.Al_xGa_<l-x>As/AlAs半導体量子細線中励起子の多体効果とそのダイナミクス
Al_xGa_<l-x>As/AlAs半導体量子細線を高密度光励起し、発光に現れる励起子多体効果とそのダイナミクス、および、金属マスクを併用した量子細線の顕微分光により空間的伝播のダイナミクスを調べた。その結果、多体効果においては、量子細線間の緩和による励起子蓄積効果のダイナミクスが重要であり、その結果、個々の量子細線において励起子の位相空間充填効果による励起子固有エネルギーの変化を明らかにした。また、空間伝播のダイナミクスでは、1次元的な異方拡散が観測され、高密度化により量子細線方向の拡散定数が大きくなる現象を見出だした。
2.層状半導体結晶ナノ界面中励起子の多体効果とそのダイナミクス
BiI_3中に自然形成されるナノ界面に束縛された励起子系や層状半導体GaSe励起子系において、励起子の高密度効果及びその空間・時間的ダイナミクスを調べた。その結果、BiI_3においては、空間分離型縮退四光波混合法により、高密度励起子状態が多体量子状態を記述するGross-Pitaevskii方程式で得られる空間的ダイナミクスに従った伝播挙動を示すことを明らかにした。一方GaSeでは、励起子の非弾性散乱発光過程の空間的ダイナミクスが明らかになった。
3.マトリックスに担持した半導体微結晶中励起子の多体効果とそのダイナミクス
ポリマーをマトリックスとしてHgI_2やPbI_2微結晶を育成させ、その微結晶中に高密度励起した励起子の多体効果や、微結晶化による電子格子相互作用の変化について調べた。その結果、HgI_2では微結晶化により、新しい結晶構造が安定化し新しい励起子状態が発現した。また、この微結晶系においては、非常に低密度励起において励起子の多体効果が発現し、77K程度の中低温では励起子キャリア間の非弾性散乱過程が、極低温においては励起子間の引力相互作用が対照的に発現することが明らかになった。一方、PbI_2微結晶では、微結晶化による励起子エネルギーの増加により格子緩和を伴った励起子の自己束縛状態が安定化することが明らかになった。
4.機能性有機半導体ナノ分子中の励起子のダイナミクス
高輝度発光性色素Alq_3、ピリジンチオラト銅錯体結晶、導電性高分子ポリチオフェン誘導体において、発光に寄与する光励起状態のダイナミクスについて調べた。その結果、特にAlq_3では、新しい光励起状態のモデルを提唱した。また、高密度励起により、そのダイナミクスが変化することも見出した。一方、ポリチオフェン誘導体においては、側鎖に依存して変化する系の次元性の変化により、励起状態のエネルギ構造と緩和ダイナミクスが変化することを見出した。

Research Products

• [Publications] Kazuki Bando: "High Density Excitation Effects on Excitons and Electron-Hole Pairs in Al_xGa_<l-x>As/AlAs Quantum Wires"International Journal of Modern Physics B. 15. 3757-3761 (2001)
• [Publications] Yoshiyuki Kawasumi: "Photoluminescence and Dynamics of Excitons in Alq_3 Single Crystals"International Journal of Modern Physics B. 15. 3825-3828 (2001)
• [Publications] Yasuyuki Shirasaka: "Spatial Behavior of Exciton-Polariton Masses in a Layered Crystal BiI_3"International Journal of Modern Physics B. 15. 3960-3964 (2001)
• [Publications] Atsushi Tanji: "Spatial Evolution of Inelastic Scattering of High-Density Excitons in GaSe"Journal of Luminescence. 94-95. 365-368 (2002)
• [Publications] Kazuki Bando: "Dynamical Processes on High Density Indirect and Direct Excitons in Al_xGa_<l-x>As/AlAs Quantum Wires"Journal of Luminescence. 94-95. 389-392 (2002)
• [Publications] Yasuyuki Shirasaka: "Coherent Motion of High-Density Exciton Masses at a Quasi Two-Dimensional Interface in BiI_3"Journal of Luminescence. 94-95. 433-436 (2002)