リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Cryogenic measurements of the absorption coefficient of CdZnTe as a candidate material for an immersion grating」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Cryogenic measurements of the absorption coefficient of CdZnTe as a candidate material for an immersion grating

前嶋, 宏志 東京大学 DOI:10.15083/0002006671

2023.03.24

概要

論文審査の結果の要旨
氏名 前嶋宏志

本論文は 6 章からなり、1 章では赤外線高分散分光を実現するために必要なイマージ
ョングレーティングと，そのために必要な光学結晶の要求が述べられ，本論文の主題であ
る CdZnTe 結晶の低温での光学特性測定の重要性が述べられる。2 章では吸収係数測定
の手法および特徴が述べられ，
3 章でフーリエ分光法による抵抗の違う 2 種の CdZnTe に
ついて，それぞれ 2 つの厚さの結晶の 300-8K における測定が示される。4 章では独自に
開発したコリメート光測定系による測定が示され，5 章でそれらを統合した結果，また低
抵抗の CdZnTe による赤外光吸収の素過程について温度依存性に基づいて考察がおこな
われ，6 章では結論として将来のイマージョングレーティング作成に必要な CdZnTe 結
晶の選択についてのガイドラインが示される。
中間赤外線領域(10〜18 μm)には，H2O, HCN など宇宙空間に存在する分子線が多数
存在し，高分散分光により星間物質や天体についての多くの化学的，力学的情報が得られ
ると期待される。このような観測には，軌道望遠鏡による分光が必要であり，分光素子と
して高屈折率物質を利用したイマージョングレーティングにより，衛星搭載可能なサイ
ズでの高分散分光(λ/Δλ~30000)を実現可能と考えられる。光学素子に使用する光学結
晶は，10K 以下の極低温で屈折率 2~3,吸収係数α<0.01 cm-1 が要求されることから，
CdZnTe が有力な候補という先行研究があった。常温での測定では高抵抗(~1010 Ωcm)結
晶の吸収係数は条件を満たし，低抵抗(~102 Ωcm)では大き過ぎるが，低温での測定例は
なかった。赤外線吸収が自由キャリアによって生じている場合は，極低温で吸収係数が低
下する可能性もあり，極低温での測定，また吸収過程の理解に基づく材料選定の指標が求
められている。
本論文では，実際に CdZnTe の常温から極低温までの吸収係数を実際に測定すること
で，CdZnTe による 10〜18 μm でのイマージョングレーティング実現の可能性を検討
した。そのために，低抵抗/高抵抗(~102，~1010 Ωcm)の 2 種の結晶について，透過率を測
定した。表面での反射による効果を相殺するために，厚さの異なる 2 枚(t〜1, 10 mm)の
結晶による透過率の比を利用した。測定ではまずフーリエ分光器を利用した。フーリエ分
光法では，干渉を利用して波長分解を行なうことができるが，結晶への入射光が収束光と
なるため，高屈折率の材料測定では光路差によって検出器上にあるべき焦点位置がずれ，
測定強度に系統誤差を生じ，補正が必要である。市販の分光器と液体ヘリウム冷却クライ
オスタットを組み合わせ,5~6.2μm, 8.5~20μm で連続的に室温から 8.5 K までの吸収率
測定をおこなった。次に独自に構築したコリメートビームとバンドパスフィルタを用い
た平行光による透過率測定を行なった。バンドパスフィルタの制限から測定バンドは 6.5,
10.6, 11.6, 15.1 μm の 4 ヶ所であるが，光路補正が不要である。冷凍機を用いてこれも
室温から 8.6 K までの測定を行なった。またこの結果を用いてフーリエ分光法による測

定の焦点ずれの効果を補正した。
高抵抗 CdZnTe の 10~18 μm での吸収係数αは，温度によらず小さく，測定誤差，系
統誤差を考慮した上で 300~8.6 K でα<0.11cm-1 という上限値が得られた。これは低温で
要求値を満たすという確証ではないが，有望な材料であることを示している。低抵抗
CdZnTe については，300K でα=0.4~0.6 cm-1, 8.5K ではα=0.5~1.3 cm-1 と全体に吸収
係数が大きく，また低温ほど吸収係数が上昇する傾向と長波長ほど吸収係数が大きい傾
向が見られた。そのため抵抗率~102 Ωcm の CdZnTe はイマージョングレーティング材
料には適さないことが示された。
CdZnTe の赤外線吸収過程について，(A) 同一価電子帯サブバンド内の自由ホール遷移
による吸収，(B) 軽いホールと重いホール価電子帯サブバンド間の自由ホール遷移による
吸収，(C) アクセプター準位に束縛されたホールの価電子帯への遷移による吸収の 3 つ
の過程を仮定し，低抵抗材料のコリメートビーム測定結果による波長依存性，温度依存性
を考慮してモデルパラメータを求めた。 アクセプター密度 NA=(4.1±0.7)×1014 cm-3, ア
クセプター準位と価電子帯上限のエネルギー差 Ea=63±1 meV, 重いホールと軽いホー
ルの有効質量比 mh/ml=6-8, と求まり，類似物質である CdTe の先行研究，抵抗率から予
想されるアクセプター密度とも一致した。 このことから，低抵抗 CdZnTe の赤外線吸収
は，常温では自由ホール吸収が支配的，50K 以下の低温では束縛ホール由来の吸収が支
配的であることがわかった。低温で束縛ホールによる吸収がイマージョングレーティン
グの要求値を満たすα<0.01 cm-1 を満たすための束縛ホール密度，またその束縛ホール
が常温で自由ホールとなっているときの抵抗率をこのモデルにより計算すると，常温抵
抗率ρ>3×104 Ωcm と予想され，高抵抗 CdZnTe の測定値を説明すると同時に，今後の
材料選定への指標をしめした。
本論文は，低抵抗，高抵抗の CdZnTe 結晶の 10K 以下での赤外線吸収率を初めて測定
した。イマージョングレーティング実現に必要な低温での小さな赤外線吸収係数(α<0.01
cm-1)を確認したわけではないが，少なくとも低抵抗結晶は不向きであることを明確に示
し，高抵抗結晶で実現の可能性があること，その場合に必要な常温抵抗率による評価方法
を示したことの意義は大きい。
なお、本論文は共同研究であるが、論文提出者が主体となって実験・解析を行ったもの
で、論文提出者の寄与が十分であると判断する。
したがって、博士（理学）の学位を授与できると認める。

論文の公開元へ

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

Ahmad, F. R. 2015, Appl. Phys Lett., 106, 012109

Archer, J., Doyle, D., Boyadjian, J., et al. 2020, Proc. SPIE., 11443, 1144327

Ashcroft, N. W., & Mermin, N. D. 1976, Solid State Physics, ed. D. G. Crane (Harcourt College

Publishers)

Basu, P. K. 2003, in Theory of Optical Processes in Semiconductors (Oxford University Press),

583–605

Becker, U., Zimmermann, H., Rudolph, P., & Boyn, R. 1989, Phys. Stat. Sol. (a), 112, 569

ˇ apek, V., Zimmerman, K., Koˇ

ˇ Popova, M., & Polivka, P. 1973, Phys. Stat. Sol. (b),

C´

n´ak, C.,

56, 739

Cox, A. J., DeWeerd, A. J., & Linden, J. 2002, Am. J. Phys., 70, 620

DeBell, A. G., Dereniak, E. L., Harvey, J., et al. 1979, Appl. Opt., 18, 3114

Deutsch, T. F. 1975, J. Electron. Mater., 4, 663

Ebizuka, N., Morita, S.-y., Shimizu, T., et al. 2003, Proc. SPIE, 4842, 293

Gardner, J. P., Mather, J. C., Clampin, M., et al. 2006, Space Sci. Rev, 123, 485

Hayashi, C., Nakazawa, K., & Nakagawa, Y. 1985, in Protostars and Planets II, ed. D. Black

& M. Matthews, 1100–1153

Hirahara, Y., Aoki, K., Ohta, K., et al. 2012, Proc. SPIE, 8446, 84463Y

Honda, M., Kudo, T., Takatsuki, S., et al. 2016, ApJ, 821, 2

Houck, J. R., Roellig, T. L., van Cleve, J., et al. 2004, ApJS, 154, 18

Ikeda, Y., Kobayashi, N., Sarugaku, Y., et al. 2015, Appl. Opt., 54, 5193

Kaji, S., Sarugaku, Y., Ikeda, Y., et al. 2014, Proc. SPIE, 9147, 914738

—. 2016, Proc. SPIE, 9912, 99125Z

Kaneda, H., Ishihara, D., Oyabu, S., et al. 2018, Proc. SPIE, 10698, 106980C

Kittel, C. 2005, Introduction to solid state physics (Kittel Kotai butsurigaku nyumon)

(Maruzen)

Kudo, K. 1996, PhotoPhysical Basics (Hikari bussei kiso) (Ohmusha)

Lord, S. D. 1992, A New Software Tool for Computing Earth’s Atmospheric Transmission of

Near- and Far-Infrared Radiation, Tech. Rep. December

Marsh, J. P., Mar, D. J., & Jaffe, D. T. 2007, Appl. Opt., 46, 3400

Molva, E., Pautrat, J. L., Saminadayar, K., Milchberg, G., & Magnea, N. 1984, Phys. Rev. B,

30, 3344

– 85 –

Murakami, H., Baba, H., Barthel, P., et al. 2007, PASJ, 59, S369

Noda, A., Kurita, H., & Hirano, R. 2011, in Mercury Cadmium Telluride: Growth, Properties

and Applications, ed. P. Capper & J. Garland (John Wiley & Sons, Ltd.), 21

Nomura, H., Wei, C.-E., Walsh, C., & Millar, T. J. 2019, in AAS/Division for Extreme Solar

Systems Abstracts, Vol. 51, 324.12

Notsu, S., Nomura, H., Ishimoto, D., et al. 2016, ApJ, 827, 1

Pilbratt, G. L., Riedinger, J. R., Passvogel, T., et al. 2010, A&A, 518, L1

Quijada, M. A., & Henry, R. 2007, Proc.SPIE, 6692, 669206

Roelfsema, P. R., Shibai, H., Armus, L., et al. 2018, PASA, 35, 17

Roelfsema, P. R., Shibai, H., Kaneda, H., et al. 2020, Proc. SPIE, 11443, 1144325

Rothman, L. S., Gordon, I. E., Barbe, A., et al. 2009, JQSRA, 110, 533

Sarugaku, Y., Ikeda, Y., Kobayashi, N., et al. 2012, in Proc. SPIE, Vol. 8442, Proc. SPIE,

844257

Sarugaku, Y., Ikeda, Y., Kaji, S., et al. 2016, Proc. SPIE, 9906, 990637

Sarugaku, Y., Kaji, S., Ikeda, Y., et al. 2017, J. Electron. Mater., 46, 282

Sukegawa, T. 2018, JSIR, 27, 27

Sukegawa, T., & Okura, Y. 2017, Proc. SPIE., 10100, 101000M

Sukegawa, T., Suzuki, T., & Kitamura, T. 2016, Proc. SPIE., 9912, 99122V

van der Pauw, L. 1958, Philips Research Reports, 13, 1

Wada, T., Kaneda, H., Kokusho, T., et al. 2020, Proc. SPIE, 11443, 114436G

Wakaki, M., Takeshita, S., & Eikei, K. 2007, in Physical Properties and Data of Optical

Materials, 1st edn. (CRC Press), 82

Young, E. T., Becklin, E. E., Marcum, P. M., et al. 2012, ApJ, 749, L17

– 86 –

...

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文
を
一発検索！

この論文の関連論文を見る