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発熱する暇がない!? 高品質ZnO結晶による熱損失のない超高速な光学現象を実証 ~発光ダイオードなど,次世代省エネ型の光学素子に結びつく成果~

 大阪大学と大阪府立大学は2019年5月8日,大阪大学大学院 基礎工学研究科の石原 一 教授(大阪府立大学工学研究科兼務),芦田 昌明 教授,大阪市立大学工学研究科の中山 正昭 教授,滋賀県立大学工学部の一宮 正義 准教授らの研究チームが,酸化亜鉛(ZnO)の光学特性を説明する新たな理論を開発し,高品質なZnO結晶を用いて室温で熱散逸が始まるより短い時間で光が放射される超高速の発光現象を確認したと発表した.本研究は,文部科学省科学研究費 新学術研究領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」他の支援の下に行われ,本成果は米国物理学会の速報論文誌Physical Review Lettersにオンライン掲載された(注).

 ZnOは,窒化ガリウム(GaN)などと同様,紫外域にバンドギャップを持ち,光を吸収する励起状態(伝導帯電子と価電子帯正孔とがクーロン結合した励起子)が極めて安定である.そのため,青色・紫外の発光ダイオード,紫外光の半導体レーザー,紫外光を吸収する太陽電池などへの応用が注目されている.このような材料の光学過程(光を吸収し,再び放射する過程)を高速化することは,熱損失のないエネルギー効率の高い光学素子を実現する上で重要な課題である.しかし,ZnOは電子帯構造が複雑であり(二重の励起子帯が存在),これまで高速化への明確な指導原理がなかった.通常,吸収したエネルギーを光として放射するには,速くとも数10ピコ秒(1 ps = 10-12s)以上かかると考えられていた.

 本研究チームは,ZnOの光学特性を説明する新理論を開発し,その実験実証を行った.固体中の原子や分子は双極子アンテナの役割をして光を吸収し,そのエネルギーを再び放射する.このアンテナの空間的広がりの大きさが光放射の速さや効率,すなわち発光素子としての性能を決める.新理論では,これらのミクロなアンテナが振動を揃えて特殊なマクロアンテナ(空間的な拡がりの一方に正や負の電荷が交互に現れ,他方にも正や負の電荷が交互に現れつつ振動する多極子状のアンテナ)を形成し,さらにZnOでは二重の励起子帯による双子のアンテナが相乗した結果,結晶全体に広がった巨大なアンテナを形成することを予言した.

 実験では,そのような条件が実現する高品質なZnO試料を用いて放射寿命を測定し,精密な解析を行った結果,10フェムト秒(1fs = 10-15s)台の,従来に比べて3桁も超高速な放射が起こっていることを実証した.原子間力顕微鏡測定で5μm角の領域における表面粗さが0.5nmと評価された高品質ZnO試料の光エネルギー3.4eVにおける高速光放射特性は放射時間18.7fsの理論予測をよく再現できた.この高速性は室温での熱散逸を凌ぐ速さであるため,熱発生のない(サーマルフリーな),次世代の超低エネルギー消費型の光学素子に応用できる可能性がある.

 本研究は,熱散逸時間より早い光学現象を理論で予言し,高品質ZnO結晶で実証した.この現象は発熱を伴わないため,超低エネルギー消費の光学デバイス開発への指導原理になるものと期待している.

(注)Takashi Kinoshita, Takuya Matsuda, Takuya Takahashi, Masayoshi Ichimiya, Masaaki Ashida, Yoshiaki Furukawa, Masaaki Nakayama, and Hajime Ishihara, "Synergetic Enhancement of Light-Matter Interaction by Nonlocality and Band Degeneracy in ZnO Thin Films", Physical Review Letters Vol. 122, p. 157401 - Published 19 April 2019, doi: 10.1103/PhysRevLett.122.157401