半導体単結晶電極の光励起初期過程の解明

阐明半导体单晶电极光激发的初始过程

基本信息

批准号：
11118208
负责人：
大谷文章
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体による光電極反応や、粉末系の光触媒反応における界面電子移動の素過程はサブピコ〜ピコ秒の非常に速い時間領域で進行することが知られており、近年超短パルスレーザーを用いた光励起電子と正孔の反応・再結合初期過程の追跡が行われている。しかしこれまでレーザーシステムの都合上、単一波長励起での測定しか行われていない。本研究では光励起電子と正孔の再結合初期過程をより詳細に検討するため、広範囲で波長変換可能なフェムト秒レーザーシステムを導入し、過渡吸収の励起波長依存性について検討した。昨年度に引き続き試料として、アナタース型とルチル型の結晶構造をそれぞれもつさまざまな酸化チタン粉末および板状酸化チタン試料を用いた。フェムト秒過渡反射吸収分光法は、再生増幅されたモードロック型チタンサファイアレーザーからのパルス光(波長790nm、1kHz)をシードとする2台の波長可変レーザー(パルス幅100fs、波長300nm〜10μm、1kHz)をポンプ光、プローブ光発生用として用いた。プローブ光波長を620nm、ポンプ光(励起光)を310nmとすると、きわめて速い(ほぼ検出限界)吸収の立ち上がりとその減衰が観測された。いずれの粉末状試料を用いる場合には減衰速度の違いはあるものの挙動はほぼ同じであり、速い二次減衰成分と遅い減衰成分の和で表されることがわかった。多結晶酸化チタン板でも同様であることから、多結晶試料では粉末と同じように微粒子ひとつひとつで光吸収とその減衰が起こると思われる。一方、単結晶試料では素早い吸収の立ち上がりは観測されるものの、測定時間範囲(約200nm)内ではほとんど減衰は見られなかった。これは、全体に占める表面の割合が粉末や多結晶体とくらべて小さいため、結晶の欠陥部位が少なく、励起電子―正孔の再結合が遅いためと考えられる。

众所周知，半导体光电极反应和粉末体系光催化反应中界面电子转移的基本过程在亚皮秒到皮秒的极快时间范围内进行，近年来，已经开发出使用超短脉冲激光器的光激发电子。正在跟踪空穴和空穴的反应和重组的初始过程。然而，由于激光系统的限制，仅使用单波长激发进行测量。在本研究中，为了更详细地研究光激发电子和空穴的初始复合过程，我们引入了能够在较宽范围内进行波长转换的飞秒激光系统，并研究了瞬态吸收的激发波长依赖性。延续去年的经验，使用各种具有锐钛矿型和金红石型晶体结构的氧化钛粉末和板状氧化钛样品作为样品。飞秒瞬态反射和吸收光谱使用两个波长可调谐激光器（脉冲宽度 100 fs，波长 300 nm 至 10 μm，1 kHz），使用来自再生放大锁模钛蓝宝石激光器的脉冲光（波长 790 nm，1 kHz）作为种子）用于产生泵浦光和探测光。当探测光波长为620 nm、泵浦光（激发光）为310 nm时，观察到极快的吸收上升（几乎达到检测限）及其衰减。结果发现，当使用任一粉末样品时，尽管衰减率存在差异，但行为几乎相同，并且衰减率表示为快速二次衰减分量和慢速衰减分量的总和。多晶氧化钛板也是如此，因此看来在多晶样品中，每个微粒都会发生光吸收和衰减，就像粉末一样。另一方面，在单晶样品中，尽管观察到吸收急剧上升，但在测量时间范围(约200nm)内几乎没有观察到衰减。这被认为是因为表面与整个表面的比率比粉末或多晶材料小，因此晶体中的缺陷位点较少，并且激发的电子和空穴的复合缓慢。