北大ら,ホットエレクトロンの超高速計測に成功

北海道大学,中国北京大学,中国科学院は国際共同研究により,高性能なFETトランジスタ,光検出器,そしてレーザーなどへの応用が期待される二次元材料・二硫化タングステン(WS2)に光照射したときに生成するホットエレクトロンの超高速な現象の計測に成功した(ニュースリリース)。

グラフェンを半導体にすることは難しいため,もともと半導体の特性を持つ三次元材料を二次元化する研究が活発化している。特に遷移金属ダイカルコゲナイドの二硫化モリブテン(MoS2)や,二硫化タングステン(WS2)などを二次元材化すると優れた機能が発現することが示され,次世代の光エレクトロニクスデバイスへの応用が期待されている。

しかし,伝導帯に励起された電子の挙動に関してはまだ不明な点が多く,様々なデバイスに展開するためにはその光物性を解明することが不可欠だった。

今回の計測には,WS2を光励起したときに生成するホットエレクトロンの高速な現象を追跡できる時間分解能0.2ps以下,また空間分解能10nm,エネルギー分解能150meVといった優れた性能を有する独自開発の光電子顕微鏡を用い,初めてホットエレクトロンの超高速緩和過程を解明した。

WS2にそのバンドギャップより大きな光エネルギーのポンプパルスレーザー(410nm)を照射すると,価電子帯の電子が励起され,伝導帯に過剰なエネルギーを持ったホットエレクトロンが生成する。

次に,生成したホットエレクトロンにプローブパルスレーザー(273nm)を照射し,WS2の外(真空中)にホットエレクトロンを放出させ,その運動エネルギーを計測した。

伝導帯に生成したホットエレクトロンは,熱を放出しながら極めて早い時間でエネルギー的に安定な伝導帯の底に緩和する。その緩和時間を計測するために,プローブパルスを照射するタイミングを少しずつ遅らせて計測するということを繰り返し行ない,0.3psという極めて早い時間でホットエレクトロンが緩和することを見出した。

また,熱的に緩和した伝導帯電子は,1ps程度で消失することも見出した。この消失は,主に伝導帯電子が欠陥準位に捕捉されるためであることを明らかにした。さらに,伝導帯電子の消失速度はパルスレーザー照射を繰り返すことにより加速されることが示され,レーザー照射によって欠陥準位の形成が加速されることを解明した。

このような欠陥準位の生成は,光エレクトロニクス材料として WS2を用いる際に性能劣化を誘起する大きな原因になると考えられるという。今後,欠陥準位の生成を抑制する因子を探索するためにもこの計測が重要な意義を持つとしている。

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