＜一般研究課題＞〈一般研究課題〉 閃亜鉛鉱型結晶の変形特性における光環境効果に閃亜鉛鉱型結晶の変形特性における光環境効果に関する研究
関する研究
助 成 研 究 者
名古屋大学 小椋優
助 成 研 究 者 名古屋大学
小椋 優

閃亜鉛鉱型結晶の変形特性における閃亜鉛鉱型結晶の変形特性における光環境効果に関する研究
光環境効果に関する研究
小椋 優（名古屋大学）
小椋 優（名古屋大学）

Effect of light illumination on room-temperature plastic
Effect of light illumination on room-temperature plastic
deformation of ZnTe single crystals
deformation ofZnTe single crystals
Yu Ogura(NagoyaYuUniversity)
Ogura（Nagoya University）

Abstract：(ZnS) single crystals, a kind of II-VI compound semiconductors, exhibit ductility
AZincbstracsulfidet
even at room temperature when deformed in darkness, while brittleness in lights. The lightZinc sulfide (ZnS) single crystals, a kind of II-VI compound semiconductors, exhibit ductility even at room
environment-dependent plasticity has been considered to be caused by dislocations, lattice defects
temperature when deformed in darkness, while brittleness in lights. The light-environment-dependent
in crystals. Dislocations can bring about unique functional properties that are quite different fromplasticity has been considered to be caused by dislocations, lattice defects in crystals. Dislocations canthe bulk due to the characteristic atomic and electronic structures. Here, in this study, webring about unique functional properties that are quite different from the bulk due to the characteristic
performed room-temperature compression tests under controlled light conditions for zinc telluride
atomic and electronic structures. Here, in this study, we performed room-temperature compression tests(ZnTe)
single crystals
with zincblendesame asZnS.
under controlled
light conditions
for zincstructure
telluride (ZnTe)
singlecrystals with zincblende structure same asZnS.
1．はじめに
1.無機半導体結晶は，共有結合やイオン結合に基づく強固な原子間結合やはじめにその複雑な結晶構造から，室温において脆性的な性質を示すと考えられて無機半導体結晶は，共有結合やイオン結合に基づく強固な原子間結合やそきた．一方で，II-VI族化合物半導体の１つである硫化亜鉛（ZnS）単結晶の複雑な結晶構造から，室温において脆性的な性質を示すと考えられてきた．
では，その可塑性が光環境に大きく依存し，光のない暗室環境下であれば一方で，II-VI 族化合物半導体の 1 つである硫化亜鉛（ZnS）単結晶では，その室温でも金属材料のような延性的な大変形を呈す[1]．近年の理論解析によ可塑性が光環境に大きく依存し，光のない暗室環境下であれば室温でも金属ると，硫化亜鉛（ZnS）中の転位（図 1 参照）は特異な原子・電子構造を有材料のような延性的な大変形を呈す[1]．近年の理論解析によると，硫化亜鉛し，キャリアと相互作用する機能を有す[2]．そうした相互作用の結果とし

1－ 39 －転位の模式図．
図図１
1 転位の模式図．

（ZnS）中の転位（図1 参照）は特異な原子・電子構造を有し，キャリアと相互作用て，転位の運動性が低下し，光照射下において脆性が発現すると考えられ（ZnS）中の転位（図 1 参照）は特異な原子・電子構造を有し，キャリアと相互作用（ZnS）中の転位（図 1 参照）は特異な原子・電子構造を有し，キャリアと相互作用する機能を有す[2]．そうした相互作用の結果として，転位の運動性が低下し，光た．このようにして，硫化亜鉛（ZnS）単結晶の変形特性において光環境が１する機能を有す[2]．そうした相互作用の結果として，転位の運動性が低下し，光する機能を有す[2]．そうした相互作用の結果として，転位の運動性が低下し，光照射下において脆性が発現すると考えられた．このようにして，硫化亜鉛（ZnS）単つの大きな因子であることがわかってきた．一方で，他の無機半導体結晶の照射下において脆性が発現すると考えられた．このようにして，硫化亜鉛（ZnS）単照射下において脆性が発現すると考えられた．このようにして，硫化亜鉛（ZnS）単結晶の変形特性において光環境が1 つの大きな因子であることがわかってきた．
変形特性における光環境効果について十分な調査はなされていない．そこで結晶の変形特性において光環境が 1 つの大きな因子であることがわかってきた．
結晶の変形特性において光環境が1 つの大きな因子であることがわかってきた．
一方で，他の無機半導体結晶の変形特性における光環境効果について十分な調本研究では，硫化亜鉛（ZnS）と同じ閃亜鉛鉱型構造（図 2 参照）を有する硫
一方で，他の無機半導体結晶の変形特性における光環境効果について十分な調
図2
一方で，他の無機半導体結晶の変形特性における光環境効果について十分な調査はなされていない．そこで本研究では，硫化亜鉛（ZnS）と同じ閃亜鉛鉱型構造
2 閃亜鉛鉱型構造．
閃亜鉛鉱型構化テルル（ZnTe）単結晶を対象に，光環境制御下における室温変形試験を実 図査はなされていない．そこで本研究では，硫化亜鉛（ZnS）と同じ閃亜鉛鉱型構造 図 2 閃亜鉛鉱型構査はなされていない．そこで本研究では，硫化亜鉛（ZnS）と同じ閃亜鉛鉱型構造（図2 参照）を有する硫化テルル（ZnTe）単結晶を対象に，光環境制御下における 造．
図 2 閃亜鉛鉱型構施した．
（図 2 参照）を有する硫化テルル（ZnTe）単結晶を対象に，光環境制御下における 造．
（図 2 参照）を有する硫化テルル（ZnTe）単結晶を対象に，光環境制御下における 造．
室温変形試験を実施した．
室温変形試験を実施した．
室温変形試験を実施した．
2．実験方法
2. 図
実験
法
3方に，変形試験に使用した試料の形状および結晶方位を示す．荷重方向は[001]であり，主す2. 実験方法
2. 図
実3験に，変形試験に使用した試料の形状および結晶方位を示す．荷重方向は[001]であり，主すべり系方法
べり系はシュミット因子が0.408 となる<110>{111}である．室温（24℃）大気中において，一定ひ
図 3 に，変形試験に使用した試料の形状および結晶方位を示す．荷重方向は[001]であり，主すべり系
図 3 に，変形試験に使用した試料の形状および結晶方位を示す．荷重方向は[001]であり，主すべり系
はシュミット因子が0.408となる<110>{111}である．室温（24℃）大気中において，一定ひずみ速度（𝜀𝜀𝜀= 1.0-5ずみ速度（ε= 1.0 ×10 /s）の一軸圧縮変形試験を実施した．変形試験時には，暗幕を用いて試料はシュミット因子が0.408 となる<110>{111}である．室温（24℃）大気中において，一定ひずみ速度（𝜀𝜀𝜀 = 1.0-5はシュミット因子が0.408 となる<110>{111}である．室温（24℃）大気中において，一定ひずみ速度（𝜀𝜀𝜀 = 1.0×10/s）の一軸圧縮変形試験を実施した．変形試験時には，暗幕を用いて試料を暗室保持し，適宜，を暗室保持し，適宜，試料に光を照射することにより光環境を制御した．図 4 および図 5 に光源×10-5-5 /s）の一軸圧縮変形試験を実施した．変形試験時には，暗幕を用いて試料を暗室保持し，適宜，×10 /s）の一軸圧縮変形試験を実施した．変形試験時には，暗幕を用いて試料を暗室保持し，適宜，試料に光を照射することにより光環境を制御した．図4 および図 5 に光源のスペクトルおよび未変形結晶のスペクトルおよび未変形結晶の透過特性を示す．光照射により，結晶中に光励起キャリアが発生試料に光を照射することにより光環境を制御した．図4 および図 5 に光源のスペクトルおよび未変形結晶試料に光を照射することにより光環境を制御した．図 4 および図 5 に光源のスペクトルおよび未変形結晶の透過特性を示す．光照射により，結晶中に光励起キャリアが発生すると考えられる．
すると考えられる．の透過特性を示す．光照射により，結晶中に光励起キャリアが発生すると考えられる．の透過特性を示す．光照射により，結晶中に光励起キャリアが発生すると考えられる．
4

図 3 試料形状および結図 3 試料形状および結図 33試料形状および結晶方位．
試料形状および結晶方位．
図晶方位．
晶方位．

図 4 光源のスペクトル．
図図
4 光源のスペクトル．
光源のスペクトル．
図 4 4 光源のスペクトル．

図 5 未変形結晶の透過特性．
図 5図 未変形結晶の透過特性．
未変形結晶の透過特性．
図 5 5未変形結晶の透過特性．

33．実験結果. 実験結果3. 実験結果
3. 図
実験結果
図 55 に，暗室下および光照射下にて実施した応力―ひずみに，暗室下および光照射下にて実施した応力―ひ
図 5 に，暗室下および光照射下にて実施した応力―ひずみ
図 5 に，暗室下および光照射下にて実施した応力―ひずみ曲線を示す．光環境によらず，ひずみ量15%程度まで塑性変ずみ曲線を示す．光環境によらず，ひずみ量 15%程度ま曲線を示す．光環境によらず，ひずみ量 15%程度まで塑性変曲線を示す．光環境によらず，ひずみ量 15%程度まで塑性変形が生じた．また，変形後の結晶について，レーザー顕微鏡をで塑性変形が生じた．また，変形後の結晶について，レー形が生じた．また，変形後の結晶について，レーザー顕微鏡を形が生じた．また，変形後の結晶について，レーザー顕微鏡を用いて表面形状の観察を行ったところ，すべり線の形成がみら
ザー顕微鏡を用いて表面形状の観察を行ったところ，すべ用いて表面形状の観察を行ったところ，すべり線の形成がみら用いて表面形状の観察を行ったところ，すべり線の形成がみられた．したがって，いずれの光環境下においても転位のすべりり線の形成がみられた．したがって，いずれの光環境下にれた．したがって，いずれの光環境下においても転位のすべりれた．したがって，いずれの光環境下においても転位のすべり運動が変形を担っていると考えられる．一方で，降伏応力およおいても転位のすべり運動が変形を担っていると考えられ運動が変形を担っていると考えられる．一方で，降伏応力およ運動が変形を担っていると考えられる．一方で，降伏応力および変形応力は光照射下において増加し，光環境に対して依存る．一方で，降伏応力および変形応力は光照射下においてび変形応力は光照射下において増加し，光環境に対して依存び変形応力は光照射下において増加し，光環境に対して依存性がみられた．光照射により転位の運動が抑制されていると増加し，光環境に対して依存性がみられた．光照射により性がみられた．光照射により転位の運動が抑制されていると性がみられた．光照射により転位の運動が抑制されていると 図 5 応力-ひずみ曲線．点線：暗室推察される．
転位の運動が抑制されていると推察される．
推察される．
図 55 応応力-ひずみ曲線．点線：暗室力-ひずみ曲線．点線：暗室下，推察される．
第 一 原 理 に 基 づ く 理 論 解 析 [3] によ ると ， テ ル ル 化 亜 鉛 図
図 5 破線：光照射下．
応力-ひずみ曲線．点線：暗室下，破線：光照射下．
第一原理に基づく理論解析[3]によると，テルル化亜鉛
第一 原 理 に 基 づ く 理 論 解 析 [3] によ ると ， テ ル ル 化 亜 鉛
第 一 原 理 に 基 づ く 理 論 解 析 [3] によ ると ， テ ル ル 化 亜 鉛 下，破線：光照射下．
下，破線：光照射下．
（ZnTe）中の転位は，自由キャリアをトラップする効果を有する．そして，キャリアをトラップし222 －－ 40

た転位は，そのコア構造を変化させ，エネルギー的に安定化することがわかっている．その結果として，転位の運動性が低下し，降伏応力および変形応力が上昇すると考えられる．
4．まとめテルル化亜鉛（ZnTe）単結晶について，光環境制御下における室温変形試験を実施した．暗室下および光環境下いずれにおいても，ひずみ量 10%を超える塑性変形が可能であることがわかった．
変形後結晶についての表面形状観察から，これらの変形は転位のすべり運動によると考えられる．
光照射下においては，暗室変形時と比較して，降伏応力および変形応力の上昇がみとめられた．光照射により，転位の運動が抑制されていると推察される．このようにして，テルル化亜鉛（ZnTe）の変形特性において光環境が影響を及ぼすことが確認された．
参考文献
[1]

Yu Oshima, Atsutomo Nakamura, Katsuyuki Matsunaga, Extraordinary plasticity of an
inorganic semiconductor in darkness, Science 360 (2018).

[2]

Katsuyuki Matsunaga, Sena Hoshino, Masaya Ukita, Yu Oshima, Tatsuya Yokoi, AtsutomoNakamura, Carrier-trapping induced reconstruction of partial-dislocation cores responsible
for light-illumination controlled plasticity in an inorganic semiconductor, Acta Materialia
195 (2020).

[3]

Sena Hoshino, Yu Oshima, Tatsuya Yokoi, Atsutomo Nakamura, Katsuyuki Matsunaga, DFT
calculations of carrier-trapping effects on atomic structures of 30°partial dislocation coresin zincblende II-VI group zinc compounds, Physical review materials 7 (2023).

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