2016 Fiscal Year Research-status Report
光アクチュエータを指向した強誘電体薄膜における異常光起電力効果の増強
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16K06272
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
中嶋 誠二 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (80552702)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光起電力効果 / 強誘電体 / 異常光起電力 / BiFeO3 / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度は①BFO薄膜のドメイン壁が異常光起電力効果に与える影響、②BFO薄膜へのZn, Mnドーピングが異常光起電力効果に与える影響を調べた。光起電力効果の評価は電極間距離260μmのPt/BFO/Ptコプレーナキャパシタに青紫色（λ= 405 nm)レーザを照射することで評価した。
①ではドメイン構造を制御するために傾斜方向の異な微傾斜SrTiO3(001)基板および微傾斜LaAlO3(001)基板上へのBFO薄膜の作製を行い、その異常光起電力効果を評価した。その結果、<100>方向に傾斜したSrTiO3(001)基板上では71°ドメイン壁を有するストライプ状ドメイン構造となり、その異常光起電力効果は光の偏向によらない成分があることが分かった。また、LaAlO3(01)基板上ではより非対称性の高い準安定相であるT-like BFOが形成されるが、このドメイン構造を同様に制御し、異常光起電力効果を調べた。その結果。<110＞方向に微傾斜したLaAlO3(001)基板上で照射光の偏向によらない光起電力効果が確認できた。このことはランダム偏向である太陽光による光起電力発生が可能であることを示唆している。
②ではMnドーピング量を0at%～10at%まで変化させた単結晶BFO薄膜を作製し、その異常光起電力効果を調べた。その結果、Mnドープ量を増加させるとフォトコンダクタンスが減少し、1at%を超えると再び増加することが分かった。このときMn1at%ドープBFOにおいて室温にて288V, 80Kにて890Vの開放端電圧が観察された。
これらの結果は光アクチュエータへの応用上極めて重要な知見を与えるものである。
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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
研究計画に記載の平成28年度の取組は、①.BFO薄膜のDWにおけるAPVEを定量評価し、最適なドメイン構造を見出す、②. Zn, Mnドープにより、DWおよびバルク光起電力特性の向上を図る、である。上述の実施概要に記載した通り、BFO薄膜のドメイン壁がAPVに及ぼす影響を調査し、入射光の偏向によらない成分があることを見出した。また、Zn、MnドーピングがBFO薄膜の光起電力効果におよぼす影響を調べ、Mnを1at%ドーピングすることで開放端電圧の向上に成功した。以上のことより本年度の計画は概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は、研究計画に従い、BFO薄膜のバンドギャップの変調を試み、それらの積層構造を作製する。異常光起電力効果はキャリアのバンド間励起プロセスを含んでいることから照射した光は吸収される。波長λ=405 nmに対して、BFO薄膜の吸収係数(α)は6.4 μm^-1程度であることから、膜厚が1 μm程度でほぼ吸収されてしまう。言い換えれば表層しか利用できないことを示しており、光アクチュエータへの応用を考えると不利である。そこで、異なる波長の光を吸収する層を積層することが有効である。具体的にはCrドープBFO薄膜を作製しその異常光起電力効果を調べる。
さらに昨年度の結果から1 at%MnドープBFO薄膜において室温で288Vの開放端電圧が確認できている。これは電界に換算すると約111 kV/cmに相当し、逆圧電効果による変形を期待できる大きさである。このことから1 at%ドープBFO薄膜を用いた光アクチュエータの試作を行う、そのために、まず光照射により格子変形が発生するかどうかをレーザ照射下のX線回折により調べる。また、短冊状に加工したBFO/STO構造にレーザ光照射を行い、その変位を詳細に調べる。
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