null

VO2 薄膜を用いたピコ秒時分割光電子ホログラフィーの試み
Development of picosecond time-resolved photoelectron holography
using VO2 thin films
林
好一（名工大）、山本
達、和達大樹、松田巌(東大物性研)、室隆桂之、松下智裕(JASRI)、
田中義人(兵庫県立大)
K. Hayashi (Nagoya Institute of Technology), S. Yamamoto, H. Wadachi, I. Matsuda (ISSP, The
University of Tokyo), T. Muro, T. Matsushita(JASRI), Y. Tanaka(University of Hyogo)
Intensity (arb. units)
今日の社会を支える基盤材料の多くが、母材に何らかの添加元素を導入することによって、そ
の機能の発現や改善を図っている。従って、添加元素周辺の局所構造を正確に測できる手法開発
が必要であり、申請者らが進めてきた原子分解能ホログラフィー1)は有望な手法の一つとして注
目されている。原子分解能ホログラフィー技術の特徴は、三次元原子配列を決定できることであ
る。この特徴から、機能性材料に潜む特異なクラスター構造など、従来手法では一部想像に頼る
しかなかった原子配列の全体像を解明する研究への応用が期待されている。最近では、以下に示
す様々な成果が上がっている。
例えば、蛍光Ｘ線ホログラフィーに関しては、半導体におけるドーパント周辺の局所格子歪み
の定量や、圧電素子等で実用化されているリラクサー強誘電体における、二種類の菱面体単位格
子の存在を証明した。2)また、酸化物室温強磁性体半導体において、亜酸化物ナノ構造体を発見
し、室温強磁性との関連性を示すことができた。3)一方、光電子ホログラフィーでは、グラファ
イトにおけるKやCaのインターカレントメカニズムや、貴金属フリー水素化脱硫触媒Ni2PのW
添加効果の解明を行ってきた。また、シリコンにドープしたボロンの化学状態を選別したホログ
ラム測定し、その局所構造の解明を行った。4)
このような状況の中、材料の化学反応や相転移中におけるホログラムパターンの動的変化を観
測したいという要望がある。例えば、触媒における反応過程を３D観測できれば、当該分野に大
きく貢献することができる。そのような理由から、原子分解能ホログラムの時分割測定技術の開
発は、申請者らのコミュニティーにとって急務の課題の一つである。ここでは、表面敏感な軟Ｘ
線光電子ホログラフィーの時分割技術の開発を行うことにより、未踏のピコ秒３D原子像観測を
目指すこととした。
試料として、レーザーポンププローブ光により結晶構造が急速に変化する二酸化バナジウム薄
膜を用い、その構造変化の様子を光電子ホログラムのパターン変化から求める。二酸化バナジウ
ムは340Kで絶縁体-金属転移を起こす。その転移温度以下に試料温度を保ち、レーザー光を照射
するとピコ秒のオーダーで結晶構造が単斜晶から正方晶に変化することが知られている。5)その
後、1ミリ秒ほどで、元の単斜晶に戻るため、レーザーポンププローブによる繰り返し測定を行
うことができる
実験では、BL07LSUに設置してあるフェムト秒レーザーとリングからの253eVのパルスX線
を同期させることによって時分割測定を行った。スペクトル測定は遅延時間0.05ns, 0.05ns,
0.1ns, 0.2ns, 1nsにて行った。試料温度は230Kに保った。結果の一部を図1に示すが、Valence
Bandはレーザー照射の0.1ns, 1.0ns後、いずれにおいても構造の変化が見られることが分かる。
大まかには、全体のスペクトルが0.5eV程高エネルギー側にシフトしている。このため、チャー
ジアップの影響が懸念されたが、図中
に○で示してあるエッジの部分は大
(a)
(b)
きなシフトは見られない。このため、
Laser ON+0.1ns
チャージアップではなく、
何らかの電
Laser OFF
Laser OFF
Laser ON+1.0ns
子状態変化が観測されたと考えてい
る。
なお、V 3ｐ等の光電子ホログラム
測定も行ったが、
十分な統計精度が得
られず、
パターンの時間変化を定量解
析することはできなかった。これは、
レーザー照射とパルスＸ線を同期さ
せられるイベントの回数が少ないこ
とによる。しかしながら、今後は
200kHz laserシステムを利用できる
Energy (eV)
Energy (eV)
可能性があり、
このような統計精度の
問題は一気に解決されるであろう。
図 1 レーザー照射による VO2 薄膜の VB の変化。(a):
0.1ns 後。(b):1.0ns 後。
参考文献
1) 林好一、日本物理学会誌 Vol.68, 217-225 (2013).
2) W. Hu, et. al., Phys. Rev. B 89, 140103(R) (2014).
3) W. Hu, et. al., Appl. Phys. Lett. 106, 222403 (2015).
4) Y. Kato et al., Appl. Phys. Lett. 91, 251914 (2007).
5) M. Hada et al. Phys. Rev. B 82, 153401 (2010).
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
14
12
10
8
6
4
2
0
-2

Download Report