フェムト秒可視光レーザーをGe₂Sb₂Te₅多結晶ナノ薄膜に照射した際に発現する格子膨張の時間変化を、SACLAの高強度、フェムト秒パルスX線によるフェムト秒パルスX線回折法を用いて、回折ピークの散乱角の時間変化から精密に測定し解析することで、Ge₂Sb₂Te₅ナノ薄膜の弾性特性の情報を得られることを明らかにした。

背景と研究目的:
我々は、SACLAから発生する高強度で、数10フェムト秒の時間幅のパルスX線を用いたフェムト秒時間分解X線回折法を開発し、DVDやBlu-ray光ディスクの記録媒体に広く利用されているカルコゲナイト系Ge-Sb-Te光励起構造相転移材料に適用することで、フェムト秒可視光レーザー照射後の0.2ピコ秒から数ピコ秒の時間領域での光励起構造相転移の前駆現象を明らかにした[1]。フェムト秒可視光レーザー照射による原子の励起状態は、時間の経過と共に、エネルギーが格子に伝わり、結晶格子の膨張が始まる。立方晶系のGe₂Sb₂Te₅薄膜の場合、結晶格子の膨張は20ピコ秒付近から顕著になり、111、220、200について、それぞれの格子膨張の時間変化を見積ることができる。バルク結晶の弾性定数を実験的に見積もるためには、結晶中を伝播する超音波の縦波及び横波の速さを測定する方法が一般的である。しかし、ナノ結晶の場合、このような方法を適用することは困難である。そこで本研究では、光によって励起された格子ひずみが結晶中を伝播する様子を、格子膨張率の時間変化で捉え、その結果を解析することで、ナノ薄膜試料における弾性特性を明らかにすることを目的とする。
実験:
測定には、Si(100)ウエハー基板(Nilaco社製)にRFマグネトロンスパッタリング装置((株)アルバック)を用いて、40nm厚さで成膜したGe₂Sb₂Te₅薄膜を用いた。成膜後の薄膜の組成は、誘導結合プラズマ発光分析法(ICP-AES: Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)を用いた化学組成分析を行い、Ge₂.₀₆Sb₂.₀₆Te₅とほぼ期待通りの組成が得られていることを確認した。なお、大気暴露による酸化やレーザー照射によるアブレーションを防ぐために、Ge₂Sb₂Te₅薄膜には3nm厚さのSiO₂膜をスパッタ法により被覆した。スパッタ法により成膜した試料はアモルファスであるため、Arガス雰囲気中で170°Cに保持して結晶化させた後、測定に用いた。SACLAでの測定は、光構造相転移を励起するためのポンプ光として、波長800nm、パルス幅30fsのTi-sapphireレーザーを使用した。ポンプ光のフルーエンスは、照射によって試料の破壊やアモルファス化が起らないよう、20mJ/cm²/pulseという十分に小さいエネルギーを採用した。レーザー照射後、構造変化を捉えるためのプローブ光としては、SACLAからのパルスX線をモノクロメータで単色化した10keVのパルスX線を用いた。測定には、ポンプ光照射後、パルスX線による測定までの時間をピコ秒スケールで小刻みに変化させて構造変化を観測するポンププローブ法を用いた。試料は縦型2軸ゴニオメータを用いて、検出器にSACLAで開発した2次元検出器MPCCDを用いて対称反射法で測定した。なお、対称反射法を採用した場合、試料上でのポンプ光及びプローブ光の試料位置による到着時間の差による時間分解能が約2psである。本研究での解析対象となる格子膨張の時間周期が約20psであり、本解析には膨張係数の振動周期を用いることから、本測定での時間分解能の影響はないと考える。

カテゴリ: 物理
質問: 実験で用いたGe₂Sb₂Te₅薄膜の厚さはどれくらいですか。
回答: Ge₂Sb₂Te₅薄膜の厚さは40nmです。