九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1609083F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL15（様式第 5 号）

実 施 課 題 名 : MgO 基 板 に 挟 ま れ た Cu 2 O 薄 膜 の 膜 質 評 価English: Quality Evaluation of Cu 2 O thin films sandwiched by MgO plates
著 者 ･共 著 者 氏 名岩 満 一 功 A、 切 通 愛 莉 紗 B、 郡 司 昂 弥 B、 赤 井 一 郎 C

English K. Iwamitsu A , A. Kiridoshi B , K. Gunji B , I. Akai C
著 者 ･共 著 者 所 属

A熊大理、B 熊大院自然、C 熊大パルス研

A

English Faculty of Science, B GSST, C IPPS, Kumamoto University※１※２※３※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
ユ ー ス を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
我 々 は MgO (100)基 板 上 に エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 さ せ た Cu 2 O 薄 膜 試 料 に お け る 結 晶 成
長 モ ー ド を 同 定 す る た め に 、 X 線 回 折 に お け る In-Plane 測 定 か ら Cu 2 O (220)の 格 子 面 間隔 を 調 べ た 。 そ の Cu 2 O (220)の In-Plane 測 定 デ ー タ よ り 、 2 つ の 異 な る 格 子 面 間 隔 (ピ ーク 値 : 62.32 o , 62.44 o )が 見 積 も れ 、 バ ル ク 結 晶 に お け る 格 子 面 間 隔 よ り も 小 さ い こ と か ら
圧 縮 性 応 力 が 印 加 さ れ る こ と が 分 か っ た 。一 方 、こ れ ら の 2 種 類 の 圧 縮 性 応 力 は J. Lumin.
167, 211 (2015)に 報 告 さ れ る Cu 2 O 薄 膜 の 結 晶 成 長 モ デ ル の 格 子 歪 の 見 積 も り か ら 、そ れ
ぞ れ MgO(100)単 位 胞 上 に Cu 2 O (100)の 単 位 胞 が 乗 る 場 合 と MgO (100)基 板 の 主 軸 に 対 して 45 o 傾 い て Cu 2 O(110)が 乗 る 場 合 の 異 な る 結 晶 成 長 モ ー ド で 判 別 ・ 同 定 さ れ る 。
（ English ）We investigate lattice spacings of Cu 2 O (220) by its in-plane method of x-ray diffraction toidentify two growth modes in the Cu 2 O (220) thin film on a MgO (100) substrate. By thein-plane method, the diffraction peaks of Cu 2 O (220) are estimated to be 62.32, 62.44 degrees
and their compressive stresses are applied to Cu 2 O (220) due to the smaller lattice spacings
than those of the Cu 2 O bulk crystal. Furthermore, the two growth modes from lattice spacingscan be identified as described in J. Lumin. 167, 211 (2015).
２．背景と目的Cu2O における 1S パラ励起子は励起子ボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)の実現可能な系であり、高密度励起条件下での励起子 BEC 実現には Cu2O 試料中に浅い励起子ポテンシャルトラップを形成する必要があることが報告されている[1]。そのポテンシャルトラップを形成するのに Cu2O 単結晶では試料に対して一軸性応力を印加されることで実現した[2]。だが、本研究の MgO 基板に挟まれた Cu2O 薄膜では 2 つの僅かな格子定数差を利用することで励起子ポテンシャルトラップを形成しており[3]、図 1(a), 1(b)に示されるような 2 つの異なる成長モードが観測されると期待できる[4]。
我々は本試料の X 線回折における In Plane 測定から、

図1: Cu2O薄膜試料の各結晶成長モードと、印加される応力の概要図[1]Cu2O(220)の格子面間隔の見積もりとこれらの成長モードの同定に取り組むことを目的とした。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
本実験では、MgO (100)基板に挟まれたCu2O薄膜に対し片側のMgO基板を剥がした試料(Cu2O/MgO)を研究対象とした。その試料に関して、デバイリングの測定・Out-of-Plane測定により2の確認、反射率測定による試料仰ぎ角 の決定、 スキャンによる試料の対称性チェック、2スキャンによる最適化を
図2: In Plane測定概要図経て、図2に示すIn-Plane測定の2スキャンを行った。その実験結果における2スキャンデータよりCu2O(220)の格子面間隔を見積もり、その結果が図1(a), (b)のどの結晶成長モードに相当するのかを同定した。
４．実験結果と考察
図 3 に本実験における Cu2O(220)の In Plane 測定データを示す。図 3 にて、折れ線とマーカーが実験値であり、縦破線はそれぞれ Cu2O(220), MgO(220)バルク結晶の格子定数に相当し、縦一点鎖線は実験値におけるピーク値を示した。図 3 を見てわかるように、スペクトルのピークは 2 つ観測されており、それらのピークは Cu2O(220)バルク結晶の格子定数値に対し高角度側にシフトしていることが分かる。
この結果より本試料の Cu2O(220)の格子面間隔が小さくなる、圧縮性応力が生じていると考えている。
一方で、図 1(a), (b)において、Cu2O(220)は水色領域に相当しており、赤矢印に示されるように圧縮性
図3: Cu2O(220)のIn Plane測定データ応力に相当すると考えられる。これは実験データにおける高角度側シフトと理にかなっている。さらに、2 つのスペクトルピーク値(62.32o, 62.44o)でバルク結晶との格子歪の見積値と図 1(a), (b)における格子定数による歪の見積値と対応させることで、図 1(a)は 62.32o、図 1(b)は 62.44o に同定される。
５．今後の課題
Cu2O(220)の In Plane データに関してはこの理解で説明できたが、Cu2O(200)に関しても同様の枠組みで理解できることが期待される。今回の測定でもトライしたが、MgO(200)由来のピークが強いのと、試料表面の粗さ等の問題から自己矛盾のないデータがきちんと測定できなかった。今後は、良質な薄膜結晶を用いる、試料表面を研磨するなどの工夫を施して行うことを検討している。
６．参考文献[1] K. Yoshioka, E. Chae and M. Kuwata-Gonokami, Nat. Commun. 2, 328 (2011).
[2] N. Naka and N. Nagasawa, Phys. Rev. B 70, 155205 (2004).
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）[3] K. Iwamitsu, S. Aihara, A. Ota, F. Ichikawa, T. Shimamoto, and I. Akai J. Phys. Soc. Jpn. 83, 124714 (2014).
[4] S. Aihara, A. Ota, K. Iwamitsu, F. Ichikawa, H. Isobe, T. Shimamoto and I. Akai, J. Lumin. 167, 211 (2015).
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
Cu2O (220)、In-Plane 測定、圧縮性応力
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2016 年度実施課題は 2018 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

①

論文（査読付）発表の報告（報告時期：2018 年 12 月）