高効率人工光合成実現のための超広帯域光電変換マルチバンドギャップ物質の創成

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【本研究の内容】報告者は、高効率人工光合成を実現するため、種々の3d遷移金属を添加した窒化アルミニウム（AlN）薄膜を合成しその評価をおこなった。特に採用第2年度では、報告者がごく最近発見した「Fe添加によるAlN薄膜の配向性変化」についてより詳細に解析をおこなった。【本研究の意義】ウルツ鉱型の結晶構造をもつAlNのa軸配向膜を利用するとc軸配向膜に起因する様々な課題を解決出来る。c軸配向型AlN薄膜には、AlとNが面直方向につながった構造に由来する電気的極性がある。結果として薄膜表面、界面で大きな分極が発生し、種々のデバイスで問題となっている。例えば、トランジスタではノーマリーオンになってしまう、LEDなどの発光デバイスでは発光効率が低い、などである。申請者が実現を目指す人工光合成デバイスでも同様に、光で形成された電荷を分離し取り出す効率が低くなる問題がある。成長方向に極性を持たない無極性膜を作製することが、これらの問題の解決策とされる。しかし、AlNは結晶学的にc軸方向に成長しやすい材料であることから本研究により無極性膜の新たな作製法が確立されれば、人工光合成デバイスだけでなく、窒化物半導体で構成される種々のデバイスの抱える問題も解決できる可能性がある。【実施内容】Fe添加AlN薄膜をガラス基板上にRFスパッタ法で成膜し、その電子状態や結晶学的特性の解明に取り組んだ。さらに、成膜条件の詳細な調製、成膜後の熱処理の影響の調査に取り組み、配向性転移メカニズムの解明や結晶性の向上を目指した。また、大型放射光施設Spring-8にて放射光X線を利用したX線吸収分光（XAS）測定も取り入れ、AlN中Feの局所的な構造や電子状態と配向性転移との関連性を調べた。