서브 나노 미터 해상도에서 스피드 바카라의 텔레 균형에 대한 성공적인 실시간 관찰

부교수 Hase Muneaki, Tsukuba University, 바카라 커뮤니티NanoElectronics Research Division, Hirosaki University의 수석 수석 수석 연구원, 국립 대학교 교육 학부 선임 Shimada Toru, Beamline Research Group의 Yahashi Makina 그룹 이사, Riken Research Institute, Xfel 사용 연구원의 Togashi 연구원, Togashi 연구원, TogaMa Who, Katay Amaka, Togashi 연구원, Togashi 연구원, Togashi 연구원, Togashi 연구원, Togashi 연구원, Tothame Wohe Who 매우 강력한 울트라 쇼트 X- 레이 펄스 제작X-ray 프리 전자 레이저 (XFEL) 시설 SACLA, 기록 DVD 및 차세대 버전을 사용하여 X- 선 회절 실험을 수행 하였다비 휘발성 고체 메모리예상위상 변경 메모리에서, 우리는 하위 나노 미터 미만의 해상도에서 전자 여기에 의해 구동되는 스피드 바카라의 순간 텔레션을 성공적으로 관찰했다

SACLA는 일본 최초의 X- 선 프리 전자 레이저 광원으로, 매우 짧은 파장을 가진 X- 레이 영역에서 실현되었습니다 이 XFEL은 약 10fs (펨토초)의 매우 짧은 펄스 폭이 있기 때문에 고체에서 스피드 바카라 운동의 직접 관찰,이 특성을 이용하고 구조적 변화의 즉각적인 이미징에 적용될 것으로 예상되었습니다

이 연구팀은입니다울트라 쇼트 펄스 레이저 라이트₂SB₂TE₅단결정 박막) 및 전자 여기에서의 조사에 의해 야기되었으며, 후속 스피드 바카라 운동은 1 PS (피코 초) 미만의 시간 분해능에서 SACLA XFEL 펄스를 사용하여 사진을 찍었다 결과적으로, 여기서 스피드 바카라의 움직임이 나오고 자극 직후에 몇 ps에 대해 스피드 바카라의 움직임이 깨지고 구조를 변화시키는 동안, 스피드 바카라의 결합은 20ps 후에 온도가 상승하고 격자 간격이 약 오후 2시 (피코 미터)를 확장함으로써 새로운 구조로 변화한다는 것이 밝혀졌다 또한이 스피드 바카라 변위 구조는 100ps 이상 지속 된 다음 약 18ns (나노초) 후에 이완되고 정상으로 돌아온다는 것이 밝혀졌습니다

이 시간이 관찰 된 전자 여기로 인한 피코 초 영역에서 스피드 바카라의 텔레 균형은 위상 변화 메모리를위한 기록 재료의 위상 전이가 이전에 생각 된 나노 초보다는 피코 초 시간 스케일에서 발생할 수 있음을 강력하게 시사한다 다시 말해, 전자 여기를 사용하는 초고속 스위칭 위상 변화 장치가 가능할 것으로 예상됩니다

이 연구 결과는 2016 년 2 월 12 일자 영국 과학 저널에 발표되었습니다과학 보고서"

*이 연구 결과는 교육, 문화, 스포츠, 과학 및 기술의 전략적 연구 주제 "위상 변화 기록의 X- 선 회절 프로브에 의한 Grattice Dynamics"(주요 조사관 : Hase Muneaki)에 따라 얻어졌습니다

고강도 레이저 펄스로 고체를 조사하면 전자 여기를 유발하고 물질은전자 흥분 상태로 변경됩니다 이 전자 여기 상태에서, 스피드 바카라는 일반적으로 비평 형 및 불안정한 상태에 있으며, 원래 상태에서 스피드 바카라의 위치로부터 변위되는 것으로 생각된다 이를 사용하여 전자 여기 상태를 생성하고 의도적으로 스피드 바카라의 위치를 변경하고 고체의 결정 구조를 변화시킬 것으로 예상됩니다 그러나, 전자 여기 상태에서 스피드 바카라의 변위는 하위 나노 미터 (01 nm) 미만이며, 종래의 가시적 레이저 광을 사용하는 분광법은 파장이 수백 nm이기 때문에 정확하게 평가하기가 어렵고, w w w w w w w w w w w w w w wt 길이의 X- 레이 레이저를 사용하여 시간이 용해 된 x- 레이 회절 측정을 수행하는 데 가장 효과적인 것으로 생각된다

DVD-RAM과 같은 광학 기록에 사용되는 기록 필름 자료는 주로 TE (Tellurium)를 함유하고 위상 변화 재료라고 불리는 칼코겐 화합물이라는 반도체입니다 이 상 변화 물질은 결정과 비정질 상태 사이의 반사율 (굴절률 차이)과 전기 저항의 큰 차이를 가지며, 이러한 변화를 측정함으로써 그것이 기록 또는 지우는 상태인지 쉽게 결정할 수 있습니다 지금 까지이 결정과 비정질 상태 사이의 위상 전이는 1 나노초 (1 억 1 억 분의 1) 이상이 걸릴 것으로 생각되었다 그러나 최근 몇 년 동안첫 번째 원칙 계산를 사용한 이론적 분석 전자 여기를 사용하여 피코 초 (1 조 초) 시간 영역에서 결정과 비정질 상태 사이의 위상 전이가 발생할 수 있음을 시사하여 크게 진행되었습니다^a)피코 초의 위상 전이 스위칭을 실현할 수 있다면, 현재보다 훨씬 빠른 속도로 데이터 녹화 및 지우는 전력 절약 위상을 변경하고 새로운 작동 원리가있는 스위칭 장치가 실현 될 것으로 예상됩니다

따라서이 연구 팀은 세계에서 가장 진보 된 X- 선이없는 전자 레이저 시설 인 SACLA의 초소형 XFEL 펄스를 사용하여 시간 분해 된 X- 선 회절 실험을 수행하고 피코 초/서브 비노 미터의 실시간 해상도에서 위상-체인지 재료에서 스피드 바카라의 움직임을 관찰하려고 시도했습니다

이 연구에서 GE는 매우 고품질의 결정도₂SB₂TE₅단결정 박막 (필름 두께 35 nm)을 제조하고, 30 fs의 펄스 폭을 갖는 초-펄스 펄스 레이저 광 (파장 800 nm)을 SACLA의 여기에서 펄스로 조사하여 고밀도의 전자 여기 상태를 생성 하였다 순간 전자 여기 후 스피드 바카라의 시변 운동을 포착하기 위해, 샘플을 1 PS 미만의 단계에서 XFEL 펄스 (펄스 폭 10 FS, 광자 에너지 10 keV)로 조사하고, X- 선 회절 이미지를 멀티 포트 CCD (MPCCD) 검출기를 사용하여 시간 분해 방식으로 획득 하였다 이번에 사용 된 샘플은에피 택셜 성장이것은 매우 고품질의 단결정이며, 그림 1의 MPCCD에 표시된 것처럼 X- 선 회절이 회절 지점으로 관찰됩니다브래그 회절 표면로 가장 높은 회절 강도를 갖는 (222) 평면을 선택하고,이 (222) 평면으로부터 시간 분해 방식으로 X- 선 회절 지점의 변화를 추적하고, 피코 초 시간 도메인에서 X- 선 회절 지점의 변화를 포착하여 강도를 감소시켰다 (도 2) 이것은 전자 여기 이전의 결정상이었다₂SB₂TE₅이것은 단결정 구조 변화의 유전자 좌위와 피코 초 시간 스케일로 이동하는 스피드 바카라를 촬영하는 것과 일치합니다

또한,이 스피드 바카라 변위는 광률 (그림 2의 오른쪽) 후 대략 20ps에서 최대에 도달하고 현재의 산란 벡터의 변화량 (045 nm^-1)는 실제 스피드 바카라 변위를 오후 2시 정도 제공합니다 그 후, 추가 시간 후, 스피드 바카라 변위는 약 18ns에서 정상 상태로 돌아 왔습니다 X- 선 회절 지점의 위치 변화는 격자 표면 간격의 팽창을 반영하고, X- 선 회절 지점의 강도 변화는 원 자간 진동 (Debye-Waller효과) 따라서, 대략 2시의 스피드 바카라 적 변위는 영화 (ii) 내지 (iii) 그림 1에서 나타나는 바와 같이, 결정의 기본 단위를 연결하는 결합은 전자 여기로 인해 분해되어 단위 구조 사이의 국소 왜곡이 나타나고 (프로세스 II), 과정 III (Process III)의 결과로 나타납니다 (프로세스 II)

이 시간이 관찰 된 구조적 변화는도 1의 바닥에 도시 된 바와 같이, 약 008 nm 미만의 매우 작은 규모로 발생한 스피드 바카라의 움직임을 포착한다고급 광자 소스(그림 3), 그것이 결정과 비정질 상태 사이의 중간 상태라고 여겨지며, 결정에서 비정질 상태로의 위상 전이 과정에 대한 현미경 이해를위한 중요한 정보를 제공합니다

이 연구 결과는 현재 위상 변경 광학 기록 필름의 위상 전이 과정과 위상 변경 메모리가 피코 초에서 발생할 수 있음을 보여줍니다 또한, GETE/SB₂TE₃슈퍼 격자구조적 박막의 위상 전이^b)의 관찰에 적용 할 수있는 경우, 현재 GE₂SB₂TE₅이것은 초 고속 상 전환을 사용하는 새로운 고속 스위칭 장치를 생성 할 것입니다

또한, SACLA는 미래에 하위 나노 미터 및 1 피코 초 미만의 공간 및 시간적 분해능을 갖춘 시간 분해 된 X- 선 회절 실험이 가능하다는 것이 입증 되었기 때문에, 시간적 해상도가 100 fs 이하로 증가 할 수 있다면, 심지어 빠른 위상 전이 페네 메나 (Phenomena)가 가능할 것으로 예상되며, 구조적 단계의 역동적 인 역동적 인 상품을 이끌어 낼 것으로 예상된다

◆ X-ray 프리 전자 레이저 (XFEL) 시설 "SACLA"

일본 최초의 XFEL 시설, Riken과 High-Brightness Light Science 센터가 공동으로 건설했습니다 기본 과학 기술 계획에서 5 개의 국가 핵심 기술 중 하나로 자리 매김했으며 2006 년 5 년 계획에 걸쳐 건설 및 유지 보수가 시작되었습니다 이 시설은 2011 년 3 월에 완료되었습니다Spring-8 Angstrom 소형 무료 전자 레이저의 이니셜로 Sacla로 명명되었습니다 첫 번째 X- 레이 레이저는 2011 년 6 월에 진동되었으며 공유 작업은 2012 년 3 월에 시작되었으며 사용 실험이 시작되었습니다 다른 국가의 시설 규모의 일부에 불과하지만, 세계에서 가장 짧은 파장을 가진 레이저를 01 나노 미터 미만으로 생성 할 수있는 능력이 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 비 휘발성 고체 메모리

비 휘발성 메모리는 전원이 꺼지는 경우에도 기록 된 정보를 보유 할 수있는 기록 장치 (메모리)를 나타냅니다 특히, 반도체와 같은 고체 상태로 만들어진 비 휘발성 기억을 비 휘발성 고형 상태 기억이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 위상 변경 메모리

비 휘발성 고체 메모리의 유형 및 Chalcogen 화합물이라는 반도체는 위상 변화 메모리를위한 기록 필름 자료로 사용됩니다 반도체 레이저 또는 펄스 전류와 같은 펄스 레이저 빔을 주입함으로써, 광학 기록 필름의 온도가 변경 될 수 있고, 결정 및 비정질 위상을 고속으로 전환 할 수있다[참조로 돌아 가기]

◆ Ultra-Short 펄스 레이저

Femtoseconds (10^-15sec)의 시간 너비를 가진 펄스 레이저 빔입니다[참조로 돌아 가기]

◆ 전자 여기 상태

일반적으로 반도체와 같은 고체 전자는 스피드 바카라가 밴드 (지면 상태)에 존재하지만, 광 조사와 같은 자극 (여기)로 인해 전자가 더 높은 전자 에너지 상태 (전도성 대역)로 전이합니다 이 높은 전자 에너지 상태를 전자 여기 상태라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 첫 번째 원칙 계산

첫 번째 원리 계산은 "가장 기본적인 원칙을 기반으로 한 계산"을 의미하며, 양자 역학의 기본 법칙을 기반으로 전자 상태 이론을 사용하여 전자 상태를 해결하는 계산 방법이며, 재료의 광학적 특성과 같은 물리적 특성을 결정합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 에피 택셜 성장

단결정 박막이 단결정 기판에서 더 자라고 균일 한 결정 방향을 갖는 단결정 박막을 성장시키는 박막 결정 성장 기술을 지칭한다[참조로 돌아 가기]

◆ Bragg 회절 표면

X- 선이 결정의 각도로 인시되면 X- 선의 파장과 스피드 바카라 배열은 우연히 발생하고 X- 레이는 강해지고 반사됩니다 현재, Bragg의 법칙 (λ = 2dsinθ)은 X- 선 (λ)의 파장과 X- 선의 스피드 바카라 배열 표면과 재료 (평면 간격 D) 사이에 형성된 각도 (θ) 사이를 유지합니다 (222) 평면은 이러한 스피드 바카라 배열 평면 중 하나입니다 또한, 현재, 산란 벡터 (Q)는 q = 4πsinθ/λ에 의해 주어진다[참조로 돌아 가기]

◆Debye-Waller효과

이것은 스피드 바카라의 열 진동이 스피드 바카라가 정지 된 결정 격자에 의해 야기 된 X- 선 회절 강도보다는 X- 선 회절 강도가 감쇠되는 효과를 나타냅니다 이 감쇠의 정도는 다음과 같습니다Debye-Waller는 계수 (온도 계수)로 추정 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆고급 광자 소스

일본 일리노이 주 Argonne National Laboratory 내부에 위치한 대형 싱크로트론 방사선 시설Spring-8, 프랑스유럽 싱크로트론 방사선 시설과 함께 세계 3 세대 대형 싱크로트론 방사선 시설 중 하나입니다[참조로 돌아 가기]

◆ 슈퍼 격자

Superlattice는 각각 몇 나노 미터가 두께를 가진 2 개의 초트라틴 필름의주기적인 스택입니다 특히, 두 가지 다른 유형의 초트라틴 반도체 필름으로 만들어진 과자석을 반도체 초당이라고하며 1970 년에는 Ezaki Reona 박사와 TSU 박사에 의해 반도체 초당을 제안했습니다 응용 프로그램은 재료 과학, 물리 및 장치 제조를 포함하여 광범위한 과학 기술 분야로 퍼졌습니다[참조로 돌아 가기]