3.2 特異なドメイン構造の形成機構
最適化された500℃で成長させた薄膜について，X線回折（XRD）および高分解能の透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて詳細な構造評価を行った（図2）。XRDの極点図（結晶の特定の面がどの方向を向いているかを調べる測定）による解析から，薄膜がc面配向していることが確認されたことに加え，面内の回転方向に関して12回対称（30度ごとの回折スポット）が観測された。Mg3Sb2の単結晶構造は本来3回対称（120度回転で重なる）であるため，この12回対称性は非常に特異である。TEMによる制限視野電子線回折（SAED）の観察結果と併せて考察すると，この現象は，4回対称性（90度回転で重なる）を持つSi（001）基板上に，3回対称性を持つMg3Sb2薄膜が成長する際に生じる「対称性の不整合」に起因していることが明らかとなった。具体的には，界面において，互いに90度ずつ面内方向に回転した4種類の3回対称ドメイン（結晶の向きが揃った微小な領域）が形成される。これら4種類のドメインが重なり合って成長することで，巨視的なX線回折では12回対称として観測される。このような特異なドメイン構造が形成されることにより，SiとMg3Sb2の間の大きな格子不整合や熱応力が効果的に緩和され，結果としてSi基板上へのエピタキシャル成長が実現したものと考えられる。
4. Mg3Sb2/Siヘテロ接合ダイオードの電気・光学特性
4.1 ダイオードの作製と電流・電圧（I-V）特性
n型のSi（001）基板の上に成長させたp型のMg3Sb2薄膜を用いて，光検出器となるp-nヘテロ接合ダイオードを作製した。Mg3Sb2薄膜の表面には，インジウム（In）もしくはニッケル（Ni）と金（Au）からなる電極を，Si基板の裏面にはアルミニウム（Al）電極を形成した。このダイオードに対して暗状態（光を遮断した状態）で電圧を印加し，電流を測定（I-V特性）した。その結果，順バイアス方向（p型側にプラスの電圧）には電流が急激に立ち上がり，逆バイアス方向には電流が抑えられるという，明確な整流特性が観測された。これにより，Mg3Sb2とSiの界面において良好なp-n接合が形成されていることが実証された。
4.2 赤外光に対する光応答と分光感度特性
作製したダイオードに対して，光通信波長帯やアイセーフ波長帯に含まれる波長1450 nmの赤外発光ダイオード（LED）光をパルス状に照射した。その結果，外部から電圧を印加しないゼロバイアス状態（0 V）において，LED光のON/OFFに同期した明瞭な光電流の発生が観測された（図3）。外部電圧を必要とせずに電流が生じる現象は「光起電力効果」と呼ばれるものであり，太陽電池と同じ原理である。この結果は，冷却機構や外部電源を必要としない，室温動作かつ極低消費電力の赤外センサーとしての応用が可能であることを示している。さらに，分光感度（波長ごとの感度）を測定した結果，Si基板では吸収できない1200 nmから1600 nm付近までの広帯域にわたって，Mg3Sb2薄膜での光吸収に起因する光電流の発生が確認され，光検出器としての基本的な要件を満たすことが実証された。
