2016 Fiscal Year Annual Research Report
軽元素同位体制御工学の実現に向けたダイヤモンドの物性解明
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16H03861
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
鹿田 真一 関西学院大学, 理工学部, 教授 (00415689)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺地 徳之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50332747)
石井 良太 京都大学, 工学研究科, 助教 (60737047)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 電気・電子 / ダイヤモンド / 同位体 / 軽元素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
同位体制御した結晶材料は、シリコンでは材料物性そのものは不変であるが、ダイヤモンドで12C純化した結晶は物質中最高の熱伝導がさらに1.5倍になるなど、「別物質」のような物性を有する。本研究では弾性・熱、光学、電子・量子に関して、物性そのものにフォーカスして計測・解析を行い、同位体制御の効果が物性に及ぼす影響を研究している。「ありふれた軽元素から極めて有用な物質創生」を視野に、同位体に関する知見を得ることを目的とする。以下、項目ごとに概要を記載する。
Ａ-０）同位体制御ダイヤモンド合成： 既合成の13Ｃ高温高圧基板（試料サイズは2mm角強）を計測のために、レーザー切断による切出し（表面(001)(00-1)、側面(110)(-110)(-1-10)(1-10)）及び研磨加工を実施し、光学的計測を実施した。
Ａ-１）弾性・熱物性： 格子の基本データとして、温度を±0.01℃に制御した４結晶対称反射型モノクロによる超高測定精度を有するX線回折装置で、かつ各種補正及びブラッグ角依存補正関数を正確に求め、ダイヤモンドの超精密格子定数計測を行うことが可能になった。天然組成の高温高圧による絶縁性結晶で、これまでの最高精度(小数点以下7桁)で格子定数3.5670616Aを求めることができた。高精度かつ共焦点可能なラマン分光によりダイヤモンドの格子振動に関するマッピング計測を実施し、本年度は天然組成結晶で有効性を確認した。
Ａ-２）光学物性： 高温高圧法によって作製された(001)面と(111)面ダイヤモンド(12C)に対して，極低温下における一軸性応力下フォトルミネッセンス・微分吸収分光法を行い、両実験結果の比較・検討を行った。本研究によって、ダイヤモンドの自由励起子遷移が一軸性応力によって分裂することが初めて観測された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
項目ごとに進捗を記載する。
Ａ-０）同位体制御ダイヤモンド合成： 既合成の13Ｃ高温高圧基板（試料サイズは2mm角強）を計測のために、レーザー切断による切出し及び研磨加工を実施し光学的計測を実施した。光学的に異質な部分が同位体濃縮結晶中に含有されており、測定に影響を及ぼした。今後、含有物の除去と併せて、最適条件で成長したCVD結晶の利用を検討していく。
Ａ-１）弾性・熱物性： 格子の基本データとして、温度を±0.01℃に制御した４結晶対称反射型モノクロによる超高測定精度を有するX線回折装置で、かつ各種補正及びブラッグ角依存補正関数を正確に求め、ダイヤモンドの超精密格子定数計測を行うことが可能になった。天然組成のＨＰＨＴ絶縁結晶で、これまでの最高精度(小数点以下7桁)で格子定数3.5670616Aを求めることができ、計測手法として確立することができたので、今後同位体材料に展開する。
Ａ-２）光学物性： 12Cダイヤモンドの自由励起子遷移の応力依存性を実験的に得ることができたので，理論と比較することにより12Cダイヤモンドの物性定数の抽出を行っているところである．これらは同位体効果を抽出するための基盤的知見に繋がると考えている。
Ａ-３）電気・量子物性： 本年度の計画外である。
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| Strategy for Future Research Activity |
項目ごとに今後の研究の推進方策を記載する。
Ａ-０） 同位体制御ダイヤモンド合成： 13C薄膜結晶の高品質化のための成長条件最適化を行う。併せて、12C濃縮バルク結晶の高品質化を実施する。
Ａ-１） 弾性・熱的物性： 12C，13C同位体純化バルク結晶及び薄膜結晶について、超精密格子定数計測を行い、また直線収束ビーム超音波法などにより弾性定数を求める。薄膜・量子構造材料に関してラマン分光による格子振動計測を行う。RF型サーモリフレクタンス法により、超薄膜での熱拡散率計測を行い、積層構造の場合の影響について検討する。
Ａ-２）光学物性： これまで励起光源として深紫外ピコ秒パルスレーザを用いてきたが，極低温において励起子温度と格子温度を一致させることが難しい，また擬熱平衡状態の実現が難しいといった問題が存在していた．そこで，平成28年度に導入した深紫外CWレーザを励起光源として新たに用いることで，上記問題が解決されダイヤモンドの光物性の解明が促進されると考えている．また平成２９年度は12Cと13Cダイヤモンドの光学特性の比較を行い，同位体効果が光学特性に及ぼす影響を明らかにすることを目指す．
Ａ-３）電子・量子物性： バルク及び薄膜に関して、移動度計測を低温から高温まで実施し、同位体制御の電子物性への依存性を計測する。
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