2017 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 / BiFeO3 / 光アクチュエータ / 異常光起電力 / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は、昨年度見出したMn 1at%ドープBiFeO3(BFO)薄膜における青紫色レーザ（λ = 405 nm）照射下における光起電力の向上を受け、①MnドープがBFO薄膜の電気伝導に及ぼす影響、②カンチレバー型構造を作製し、レーザ照射下のカンチレバー先端変位を調べた。
まず、MnドープがBFOは薄膜の電気伝導に及ぼす影響を調べるために、放射光を用いた硬X線光電子分光(HAXPES)測定を実施した。Au (10-12nm)/Mn-doped BFO (150 nm)/SrRuO3 (30 nm) / SrTiO3 (001)構造をMnドープ量0, 1, 3, 10 at%にて作製し、HAXPESにより、Au 4fおよびBi 4fスペクトルを観察した。その結果、MnドープすることでBFOのフェルミ準位が低下し、BFOへのMnドープはアクセプタドープの役割を担っていることが分かった。これよりMn 1at%ドープによりBFOのフェルミ準位がミッドギャップ近傍に位置することが示唆される。
次にMn 1 at%ドープBFO(膜厚1μm)/SrTiO3(001)構造を15 mm×1.3 mm×70 μmtのカンチレバー構造に加工し、青紫色レーザ照射下におけるカンチレバー先端変位をレーザ変位計にて測定した。その結果、先端変位8 μmが観測された。また、この変位量はレーザ偏光角に依存して変化し、異常光起電力こうかによる開放端電圧のレーザ偏光角帆変化と一致することが確認できた。このことから、このカンチレバー先端変位は異常光起電力と逆圧電効果のカップリングによる光歪に起因している可能性が高いが、更なる詳細な検討が必要である。
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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
平成29年度は、昨年度見出したBFO(BiFeO3)薄膜へのMnドープによる光起電力の向上のメカニズムを探った、その結果、Mnドープはアクセプタドープの役割を担い、ドープ量1 at%においてBFOのフェルミ準位がミッドギャップ近傍に位置し、絶縁性が向上したことが原因であることが分かった。また、カンチレバー構造を作製し、レーザ照射下の先端変位量を測定したところ、8 μmの変位が観察された。本研究課題の目的は先端変位量1 1μm以上を実現することであるが、この変位量が逆圧電効果と異常光起電力効果のカップリングにとる光歪に起因しているものか否かを、今後、詳細に検討する必要がある。
以上のことより、今年度の目標は達成しており、順調に進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、昨年度見出したカンチレバー先端変位が異常光起電力効果と逆圧電効果のカップリングによる光歪に起因したものが否かを詳細に調べる。具体的にはカンチレバーの切り出し方向を変え、同様の測定を行う。これらの結果と理論式により示唆される変位との比較を行う。これにより、異常光起電力効果と逆圧電効果とのカップリングが証明されれば、本研究課題は達成される。
また、当初計画通、BFOへの他元素ドープを行い、BFOのバンドギャップの変調を試みる。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む現象である。このことから、照射した光はBFO層で吸収されることになる、BFO薄膜の吸収係数（α）は6.4 μm-1程度であるので膜厚1 μmであれば、ほぼ吸収されてしまう。言い換えれば、極めて表層でのみ起電力が発生することを示しており、光アクチュエータへの応用を考えると不利である。このことから、異なる波長の光を吸収する層を積層することで更なる変位量の増大が見込める。本研究ではバンドギャップ変調の報告例がるCrドープBFO薄膜を作製する予定である。
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