松田　理 (マツダ　オサム)

工学研究院　応用物理学部門　量子物性工学分野教授
Last Updated :2025/12/04

■研究者基本情報

学位

  • 理学博士, 大阪大学, 1991年03月

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J-Global ID

研究キーワード

  • フォトルミネッセンス
  • カルコゲナイド
  • ポンプ・プローブ法
  • ピコ秒レーザー音響法
  • 非破壊検査
  • 電子格子相互作用
  • 表面音響波
  • カンチレバーダイナミクス
  • 原子間力顕微鏡
  • アモルファス
  • 励起子
  • イメージング
  • 走査プローブ顕微鏡
  • 干渉計
  • 異方性
  • 吸着力
  • 剪断音響波
  • 2次元イメージング
  • ヘテロダイン検出法
  • 緩和過程
  • 液体中の音響波
  • UFM
  • 時間分解測定
  • フォースカーブ
  • 励起電子緩和過程
  • 局所弾性率
  • キャリア輸送
  • 差分法解析
  • フォノン物性
  • 半導体物性
  • 走査型プローブ顕微鏡
  • 超高速分光
  • 固体物性

研究分野

  • ナノテク・材料, 応用物理一般
  • ナノテク・材料, 光工学、光量子科学

担当教育組織

■経歴

経歴

  • 2022年04月 - 現在
    北海道大学大学院工学研究院応用物理学部門, 教授
  • 2007年04月 - 2022年03月
    北海道大学大学院工学研究院応用物理学部門, 准教授
  • 1998年05月 - 2007年03月
    北海道大学工学部応用物理学科, 助教授
  • 1991年04月 - 1998年04月
    大阪大学理学部物理学科, 助手

■研究活動情報

受賞

  • 1994年10月, 日本真空協会, 第19回熊谷記念真空科学論文賞　　　　　　　　　　　　　　　
    GaAs(110)微傾斜面上のAlGaAs分子線成長と量子細線構造の形成
    中島 尚男;木村 憲泰;佐藤 正道;岩根 正晃;井上 恒一;前橋 兼三;長谷川 繁彦;松田 理;邑瀬 和生

論文

その他活動・業績

書籍等出版物

  • Ultrasonics --- Physics and applications　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda, Oliver B. Wrigh, Chapter 4 Picosecond laser ultrasonics
    IOP publishing, 2022年10月, 9780750349345, ［分担執筆］
  • 音響キーワードブック　　　　　　　　　　　　　　　
    松田 理, レーザー超音波
    コロナ社, 2016年, 424-425, 日本語, 学術書, ［分担執筆］
  • Phononic Crystals: Fundamentals and Applications　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda, Oliver B. Wright, eds. Abdelkrim Khelif, Ali Adibi, Chap. 7, Optical characterization of phononic crystals in time domain
    Springer, 2015年, 191-213, 英語, 学術書, ［分担執筆］
  • Frontiers in optical methods : nano-characterization and coherent control
    Osamu Matsuda, Oliver B. Wright, eds. Ken-ichi Shudo, Ikufumi Katayama, Shin-ya Ohno, Chap. 7, Generation and Observation of GHz--THz Acoustic Waves in Thin Films and Microstructures Using Optical Methods
    Springer, 2014年, 9783642405938, 129-151, 英語, 学術書, ［分担執筆］
  • Current Topics in Amorphous Materials --Science and Technology--　　　　　　　　　　　　　　　
    Kazuo Murase, Koichi Inoue, Osamu Matsuda, Medium-range structure and relaxation in chalcogenide glasses investigated by Raman scattering
    Elsevier, Amsterdam, 1993年, ［共著］

講演・口頭発表等

  • 2次元フォノニック結晶の GHz 音響特性の任意周波数イメージング法を用いた解 析　　　　　　　　　　　　　　　
    松田理, 村本裕貴, 古賀裕章, 西田浩紀, 藤田健太郎, 友田基信, ライトオリバー
    第80回応用物理学会秋季学術講演会, 2019年09月18日, 日本語, 口頭発表（招待・特別）
    2019年09月20日 - 2019年09月21日, ［招待講演］
  • ゼロ群速度ラム波の二次元イメージング　　　　　　　　　　　　　　　
    Oliver B. Wright, Qingnan Xie, Sylvain Mezil, Paul H. Otsuka, Motonobu Tomoda, Jerome Laurent, Zhonghua Chen, Osamu Matsuda
    第80回応用物理学会秋季学術講演会, 2019年09月18日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2019年09月18日 - 2019年09月21日, ［招待講演］
  • Time-resolved imaging of GHz acoustic waves/vibrations in phononic crystals and metamaterials　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda
    METANANO 2019, 2019年07月16日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2019年07月15日 - 2019年07月19日, ［招待講演］
  • Time-resolved imaging of gigahertz surface acoustic waves: recent development and applications　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda
    Laser Ultrasonics 2018, 2018年07月10日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2018年07月09日 - 2018年07月13日, ［招待講演］
  • ime-resolved two-dimensional imaging of gigahertz acoustic waves in phononic crystals and related structures　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda
    Photonics West 2018, 2018年02月01日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2018年01月28日 - 2018年02月01日, ［招待講演］
  • Time-domain Brillouin scattering assisted by diffraction gratings　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda, T. Pezeril, I. Chaban, K. Fujita, V. E. Gusev
    2017 International Congress on Ultrasonics, 2017年12月19日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2017年12月18日 - 2017年12月20日, ［招待講演］
  • Ultrafast imaging of acoustic wave propagation in microsphere-based metamaterial structures　　　　　　　　　　　　　　　
    P. H. Otsuka, S. Mezil, V. Gusev, O. Matsuda, M. Tomoda, T. Gan, N. Boechler, A. A. Maznev, N. Fang, O. B. Wright
    The 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals, and Plasmonics (META '17), 2017年07月25日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2017年07月25日 - 2017年07月28日, ［招待講演］
  • Optical detection of picosecond acoustic waves generated in grating structures　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda, Thomas, Pezeril, Ievgeniia Chaban, Vitalyi Gusev
    19th International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena (ICPPP19), 2017年07月18日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2017年07月16日 - 2017年07月20日, ［招待講演］
  • Time-resolved Imaging of Surface Acoustic Waves Propagating in Two-dimensional Phononic Crystals　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda, Hiroki Nishita, Hiroaki Koga, Paul H. Otsuka, Motonobu Tomoda, Oliver B. Wright
    the 4th international conference on phononic crystals/metamaterials, phonon transport/coupling and topological phononics, 2017年06月09日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2017年06月04日 - 2017年06月09日, ［招待講演］
  • Mapping surface phonons in phononic crystals in real- and k-space　　　　　　　　　　　　　　　
    Paul Otsuka, Ryota Chinbe, Motonobu Tomoda, Osamu Matsuda, Oliver B. Wright, Istvan Veres, Joo-Hyung Lee, Jun-Bo Yoon
    Phononics 2013, 2013年06月03日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2013年06月02日 - 2013年06月06日, ［招待講演］
  • Time-resolved imaging of the negative refraction of GHz surface acoustic waves in phononic crystals　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda, Hiroaki Koga, Motonobu Tomoda, Ryota Chinbe, Hirotaka Sakuma, Paul, H. Otsuka, Istvan A. Veres, Oliver B. Wright
    Phononics 2013, 2013年06月03日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2013年06月02日 - 2013年06月06日, ［招待講演］
  • Picosecond laser ultrasonics in GaAs/AlGaAs quantum wells containing spin-polarized excited carriers　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda, C. Li, R. Harley, O. B. Wright, P. Lagoudakis
    International Congress on Ultrasonics -- ICU 2013, 2013年05月03日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2013年05月02日 - 2013年05月05日, ［招待講演］
  • Time-resolved two-dimensional imaging of GHz surface acoustic waves in phononic crystals and structures based on them　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda
    International School of Quantum Electronics, Second Mediterranean International Workshop on Photoacoustic & Photothermal Phenomena: Focus on Biomedical and Nanoscale Imaging and NDE, 2012年04月24日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2012年04月19日 - 2012年04月26日, ［招待講演］
  • Picosecond laser ultrasonics in materials physics　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda
    International School of Quantum Electronics, Second Mediterranean International Workshop on Photoacoustic & Photothermal Phenomena: Focus on Biomedical and Nanoscale Imaging and NDE, 2012年04月20日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2012年04月19日 - 2012年04月26日, ［招待講演］
  • Dynamic imaging of surface acoustic waves in phononic crystals　　　　　　　　　　　　　　　
    Oliver B. Wright, Istvan A. Veres, Dieter M. Profunser, Osamu Matsuda, Brian Culshaw, Udo Lang
    SPIE Smart Nano+Micro Materials and Devices, 2011年12月07日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2011年12月05日 - 2011年12月07日, ［招待講演］
  • Imaging gigahertz vibrations trapped in phononic crystal cavities　　　　　　　　　　　　　　　
    Oliver Wright, Ryota Chinbe, Paul H. Otsuka, Motonobu Tomoda, Osamu Matsuda, Yukihiro Tanaka
    16th International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena, 2011年11月27日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Dynamic imaging of gigahertz phonons on phononic crystal slabs　　　　　　　　　　　　　　　
    O. B. Wright, R. Chinbe, P. H. Otsuka, M. Tomoda, O. Matsuda, Y. Tanaka, I. A. Veres, S. Kim, H. Jeon
    Phononics 2011, 2011年05月30日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    2011年05月29日 - 2011年06月02日, ［招待講演］, ［国際会議］
  • Time-resolved two-dimensional imaging of GHz surface acoustic waves in 1D and 2D phononic crystals and devices based on them　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda, Istvan A. Veres, Oliver B. Wright
    Photonics West 2011, 2011年01月22日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Measurement of surface displacement in picosecond laser acoustics free from the photoelastic effect　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda, K. Aoki, T. Tachizaki, O. B. Wright
    International Congress on Ultrasonics -- ICU 2009, 2009年01月11日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Surface acoustic waves propagating on microstructured phononic crystals　　　　　　　　　　　　　　　
    D. Profunser, O. Wright, O. Matsuda, Y. Tanaka, A. Khelif, V. Laude, S. Benchabane
    Acoustics '08, 2008年06月29日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Measurement of the velocity dispersion and attenuation in a liquid metal at GHz frequencies　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Wright, B. Perrin, O. Matsuda, V. Gusev
    Acoustics '08, 2008年06月29日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Stroboscopic interferometric full-field imaging of laser-induced surface acoustic waves　　　　　　　　　　　　　　　
    B. Sarens, O. Matsuda, X. Xu, G. Kalogiannakis, R. Salenbien, R. Cote, C. Glorieux
    Acoustics '08, 2008年06月29日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Optical detection of longitudinal and shear acoustic waves with laser picosecond acoustics　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda, O. B. Wright, D. H. Hurley, V. Gusev, K. Shimizu
    Acoustics '08, 2008年06月29日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Visualizing high-frequency surface acoustic waves propagating in microstructured phononic metamaterials　　　　　　　　　　　　　　　
    Dieter M. Profunser, Oliver B. Wright, Osamu Matsuda, Udo Lang, Abdelkrim Khelif, Sarah Benchabane, Vincent Laude
    International Congress on Ultrasonics, 2007年04月09日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Inversion techniques applied to picosecond acoustics　　　　　　　　　　　　　　　
    M. Tomoda, R. Li Voti, O. Matsuda, O. B. Wright
    Thermo International 2006, 2006年07月30日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Internal friction and dispersion at GHz frequencies in liquid mercury　　　　　　　　　　　　　　　
    O. B. Wright, B. Perrin, O. Matsuda, V. E. Gusev
    The 14th International Conference on Internal Friction and Mechanical Spectroscopy, 2005年09月05日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Picosecond acoustic phonon pulses generated and detected with ultrashort optical pulses　　　　　　　　　　　　　　　
    松田理
    日本物理学会 分科会, 2005年09月, 日本語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国内会議］
  • Generation and detection of picosecond shear acoustic pulses with ultrashort laser pulses in anisotropic materials　　　　　　　　　　　　　　　
    Osamu Matsuda, Oliver Wright, David Hurley, V. E. Gusev, K. Shimizu
    World Congress on Ultrasonics - Ultrasonics International 2005, 2005年08月29日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Picosecond acoustics in semiconductor quantum wells　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda, T. Tachizaki, T. Fukui, J. J. Baumberg, O. B. Wright
    Photonics West 2005, 2005年01月22日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Measurement of dispersion relations of point-excited surface acoustic waves　　　　　　　　　　　　　　　
    O. B. Wright, O. Matsuda, Y. Sugawara
    Ultrasonics International 2003, 2003年06月30日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Picosecond acoustics in quantum wells　　　　　　　　　　　　　　　
    O. Matsuda
    Gordon Research Conference on Photoacoustic & Photothermal Phenomena 2003, 2003年06月08日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Real time imaging of surface acoustic waves in thin films and microstructures　　　　　　　　　　　　　　　
    O. B. Wright, Y. Sugawara, O. Matsuda, V. E. Gusev
    12th International conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena, 2002年06月23日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Real time imaging of surface acoustic waves on opaque substrates　　　　　　　　　　　　　　　
    O. B. Wright, Y. Sugawara, O. Matsuda
    Autumn Meeting of the Acoustical Society of Japan, 2002年, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国内会議］
  • Ripples on crystals　　　　　　　　　　　　　　　
    O. B. Wright, Y. Sugawara, O. Matsuda
    2nd Phonon Engineering Forum, 2002年, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Real time imaging and dispersion of surface phonons　　　　　　　　　　　　　　　
    Oliver B. Wright, Yoshihiro Sugawara, Vitalyi E. Gusev, Osamu Matsuda
    Phonons 2001, 2001年08月12日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Spatiotemporal mapping of surface acoustic waves in isotropic and anisotropic materials　　　　　　　　　　　　　　　
    Yoshihiro Sugawara, Oliver B. Wright, Osamu Matsuda, Vitalyi E. Gusev
    Ultrasonics International 2001, 2001年07月02日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Study of new transduction mechanisms for laser picosecond acoustics　　　　　　　　　　　　　　　
    David H. Hurley, Oliver B. Wright, Osamu Matsuda, Vitalyi E. Gusev, Oleg. V. Kolosov, K. Sueoka, K. Mukasa, A. Subagyo
    Ultrasonics International / World Congress on Ultrasound, 1999年06月29日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］

担当経験のある科目_授業

  • 応用物理学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 電子系物理工学特論　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学大学院
  • 力学演習　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 電磁気学II　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 応用数学I　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 力学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 応用物理学実験法　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 光物理学I　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 先端系物性工学特論　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学大学院
  • 現代物理学概論　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 物理学I　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学

所属学協会

  • 応用物理学会　　　　　　　　　　　　　　　
  • 日本物理学会　　　　　　　　　　　　　　　

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 極超音波トポロジカルフォノニクスの開拓と多機能弾性波デバイス開発
    科学研究費助成事業
    2021年07月05日 - 2026年03月31日
    鶴田 健二, 竹澤 晃弘, 松田 理, 畑中 大樹, O・B Wright
    本研究では，計算科学的バンド設計に基づいてトポロジーで保護されたエッジモードの発現を予測，力学系にモデル化・可視化，その知見からエッジモードを介した極めて低損失な音波・弾性波伝搬実現を目指している。初年度は各班で以下の取組・成果が得られた。
    【(岡大+早大)班】 これまでに設計したC3v対称性を持つ水中2次元フォノニック構造を薄膜系に拡張し，kHz～MHz帯でエッジモードが発現するフォノニック構造を設計した。並行して，既知構造をベースに，位相最適化法を用いてより高いロバスト性を持つ最適構造探索に成功，また，それらのプロトタイプ構造を３Dプリンタで試作し，レーザードップラー計測を行った。一方，GHz帯の設計構造は北大班ならびにNTT班で試作・評価を実施中である。
    【北大班】 すでに着手しているフォノニック構造中を伝搬する表面弾性波の時間分解計測による可視化については，強誘電体基板上の銅ピラー構造によるフォノニック結晶で分散関係取得のための予備的な測定を行った。マクロスコピックなメカニカルフォノニック結晶におけるトポロジカルエッジモードの可視化については，回転可能なメカニカルグラフェン構造を設計・製作し，モーションキャプチャーシステムによる同構造の振動測定と解析を進めている。
    【NTT班】(岡大+早大)班がGHz帯で設計したトポロジカルフォノニック導波路構造をMEMS作製技術の援用により試作し，エッジモード励起も確認した。並行して，磁性体装荷のGHzフォノニック結晶素子を作製し，強磁性マグノンによる共振周波数とQ値の変化を確認した。同時に，有限要素法を用いた数値解析法を構築し，計算による当該素子構造における磁気弾性変調効果のシミュレーションを行った。
    また，代表者・分担者・協力研究者による「トポロジカルフォノニクス研究会」を年度内に４回オンライン開催し多数の参加者を得ている。
    日本学術振興会, 基盤研究(S), 岡山大学, 21H05020
  • 波動現象を目視可能な時間空間依存メタマテリアルの実験・理論・応用
    科学研究費助成事業
    2022年04月01日 - 2025年03月31日
    友田 基信, 松田 理, O・B Wright
    媒質の物理定数が時間および空間に依存する時間空間媒質を、波動現象が目視可能なアクティブ力学系メタマテリアルで実現することを目標に研究に取り組んだ。２年目には、次のことに取り組んだ。
    1. 有効パラメーターを時空間的に変化できるアクティブ１次元メカニカルメタマテリアルの開発：１次元ウェーブマシンを基に永久磁石を各ロッドに取り付け、電磁石によって各ロッドの有効質量を制御する機構を取り入れるシステムの開発を行った。複数のロッドに対する電磁石のOn/Offのデジタル制御部分の開発を行った。
    2. パッシブな２次元ウェーブマシンによるトポロジカルに保護されたエッジモードの演示：ハニカム格子状の２次元ウェーブマシンを作成し、そのトポロジカルに保護されたバレーホール効果の境界モードを観測する実験とシミュレーションを行った。この研究成果を論文にまとめApplied Physics Express誌に掲載した。
    3. 回転により時間反転対称性を破った２次元ウェーブマシンによるトポロジカルに保護されたエッジモードの演示：系全体を回転し、コリオリ力によって時間反転対称性を破るウェーブマシンを開発し、トポロジカルに保護された１方向に進むエッジモードの実験を行った。この研究成果は2024年春の応用物理学会で発表し、学術論文にまとめている最中である。
    4. 古典力学系におけるフォノニック結晶を離散化した質量バネシステムについて、電子系を参考にトポロジカルな局在状態についての理論構築を行った。１次元のみならず２次元や３次元の系でもバネ定数が一定で質量が変化する質量バネモデルを電子系のモデルに対応付ける方法を考案した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 23K23198
  • 1および2次元ナノ周期構造によるGHz-THz音響波の光学的励起・検出とその応用
    科学研究費助成事業
    2022年04月01日 - 2025年03月31日
    松田 理, 友田 基信
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 22K04938
  • 波動現象を目視可能な時間空間依存メタマテリアルの実験・理論・応用
    科学研究費助成事業
    2022年04月01日 - 2025年03月31日
    友田 基信, 松田 理
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 22H01930
  • Development and quantitative interpretation of acoustic and phoxonic metamaterial devices from kHz to GHz frequencies
    科学研究費助成事業
    2019年06月26日 - 2022年03月31日
    O・B Wright, 松田 理, 友田 基信, 野村 政宏
    本研究は、自然界には見られない、局所共鳴に基づく材料である音響メタマテリアルに関するものである。空気中の音波の波長よりも遥かに小さな音響イメージングをするkHz周波数での顕微鏡法を実現した。波長サイズのメタサーフェスによって水から空気に効率的に音を伝達することに成功した。特定の周波数のすべての弾性振動を遮蔽する単一材料のメタビームとメタロッドを初めて実証した。広帯域の音を遮蔽するメタアトムを作製した。さらに電磁メタマテリアルと音響メタマテリアルの両方の特性をもつメタマテリアルの作成を目指し、数値シミュレーションを実施した。
    日本学術振興会, 基盤研究(S), 北海道大学, 19H05619
  • GHz表面弾性波の時間分解イメージング測定と音響カイラリティ制御
    科学研究費助成事業
    2017年04月01日 - 2020年03月31日
    松田 理, 友田 基信, O・B Wright
    本研究の第一の目的は、表面弾性波を活用する材料・デバイスの研究・開発において強力なツールである表面弾性波の時間分解イメージング法において、従来の方法で弱点とされた周波数分解能の不足を解決することである。この問題に対して、我々は測定に用いる繰り返しレーザーパルス列の強度を適切な周波数で変調することで任意周波数音響波成分を励起し、これを時間分解測定する手法を確立・発展させる。また、この手法を用いてフォノニック結晶・メタマテリアルの音響特性を調べる。本研究の第二の目的は、カイラリティを有する音響場とカイラリティを有する構造との相互作用を明らかにすることである。カイラル物質と 光との相互作用については広く研究されているが、音響場との相互作用は未開拓の分野である。しかしながら、音響カイラリティはカイラル物質の選択的励起や 音響波の単一方向伝播などの新しい応用が見込まれ、その基本的理解は重要である。
    本年度は前年度より構築している上記の任意周波数時間分解二次元イメージング装置を改良し、測定の効率化を図った。特に、狭周波数帯域の光検出器とヘテロダイン法を組み合わせていた検出部分を見直し、広周波数帯域光検出器の使用によりヘテロダイン法を廃することで、装置の安定性が大幅に向上した。この装置を利用して、ガラス基板上にミクロンサイズのシリカ球を配置した音響メタマテリアルの表面音響波伝播特性を測定し、球の振動モードと表面音響波のモードの結合による特徴的な音響分散関係を実験的に取得した。また2次元フォノニック結晶の分散関係を従来よりも10倍以上の周波数分解能で測定した。さらに高速CMOSカメラを用いて二次元イメージングの高速化の研究を進めた。カイラリティ関連の研究では、カイラルな構造に基づくプリズム構造の音響波伝播特性のシミュレーションを進めた。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 17H02807
  • GHzレーザー超音波によるコンピュータ断層撮影法
    科学研究費助成事業
    2016年04月01日 - 2019年03月31日
    O・B Wright, 松田 理, 友田 基信
    この研究はGHz超音波コンピューター断層撮影法に関するもので、非侵襲な試料内部の音響イメージングをナノスケールにまで拡張するものである。 我々は、ナノ構造における最大100 GHzまでの周波数および最大50 nmまでの波長を有するコヒーレントフォノンの光生成を利用して、非常に小さい時間（~1 ps）および空間（~50-500 nm）スケールでバルク音波を測定した。弾性特性イメージング、ナノスケールの音響光学相互作用および欠陥によるフォノン散乱を調べた。 この研究は新しいセンシングとイメージング技術につながるものである。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 16H02123
  • GHz板状フォノニックメタマテリアル及びプラズモニック・フォノニック結晶の実現
    科学研究費助成事業
    2016年04月01日 - 2019年03月31日
    友田 基信, O・B Wright, 松田 理, 南本 大穂, 野村 政宏
    ナノスケールの厚みをもつ板状の固体を伝搬するGHz周波数領域の弾性波を、人工的なフォノニック構造を使って以下のように制御した。微細加工技術で製作可能な曲げ振動ダブルネガティブフォノニックメタマテリアルを設計し、シミュレーション上で負の屈折を確かめた。完全バンドギャップをもつ板状プラズモニック・フォノニック結晶の設計をし、ナノスフェアリソグラフィー法によって試料作製をした。マイクロ球をガラス基板上に敷き詰めたフォノニックメタマテリアル構造上で弾性表面波をイメージングし、バンドギャップを持つことを確かめた。スプリットリング共振器構造における弾性振動による光反射率変化を計測した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 16H03997
  • ２次元撮像素子を用いたGHz表面弾性波の超高速時間分解イメージング
    科学研究費助成事業
    2016年04月01日 - 2018年03月31日
    松田 理, O・B Wright, 友田 基信, ペツリル トマ, 藤田 健太郎
    光励起されたGHz表面音響波を2次元撮像素子を用いて高速で時間分解2次元イメージングすることを目的として以下の研究を行った。1)音響振動による表面変位の2次元イメージをカメラの撮像面に2次元光強度イメージとして転送する干渉光学系を試作し、この動作を検証した。2)フォトリフラクティブ結晶を用いた自己補償型干渉計を検討した。3)高速CCDカメラを利用する際に必要となる高速画像転送およびデータ処理ソフトウェアを開発した。また派生研究として、4)音響波による光反射率の変調を定量的に扱う光散乱理論の構築、および5)ナノメートルスケールの金属回折格子構造を持つ試料における音響波の光学的励起検出を行った。
    日本学術振興会, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 16K13713
  • GHz帯音響メタマテリアルの創成とその応用
    科学研究費助成事業
    2013年10月21日 - 2016年03月31日
    O・B Wright, 松田 理, 友田 基信
    本研究の目的は、GHz音響メタマテリアル中で周波数1-100GHzで波長100nm以下のコヒーレントフォノンを光励起し、超短時間(1ps)で微小スケール(20-50nm)でバルク音響波と表面音響波を制御することである。この研究は音響メタマテリアル分野をナノスケールサイズに拡張し新しいナノスケールの音響顕微鏡への開発に結び付くものである。GHz音響メタマテリアルの設計や、GHz異常透過やメタマテリアル共振器、サブ波長集束、GHz光機械メタマテリアルについての研究を行った。さらにこの研究を通してより低周波数での音響に関する多数の付属的な成果も得られた。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 25246030
  • マイクロ音響レンズを用いたレーザーピコ秒超音波顕微鏡技術の開発
    科学研究費助成事業
    2013年04月01日 - 2016年03月31日
    友田 基信, O・B Wright, 松田 理
    高周波数・高分解能をもつ超音波顕微鏡技術を開発し、試料の表面形状や３次元内部構造を非破壊的に測定ならびにイメージングすることを目的とした。この技術は、10-100GHz帯の超音波を励起・検出するレーザーピコ秒超音波法を基にしている。
    マイクロレンズなどのナノ構造を使った超音波パルスの集束、液浸対物レンズを使ったプローブ光スポット径の小型化、透明試料中を伝わる音響波による深さ方向の高分解能測定、パルスレーザーの繰り返し周波数に制限されない任意周波数成分の測定、ポンプ光スポット形状の制御を行った。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 25390114
  • コヒーレントフォノンによる表面プラズモン‐ポラリトン伝播の超高速制御
    科学研究費助成事業
    2010年 - 2012年
    O.B. WrIght, 松田 理, 友田 基信
    超高速光技術を用いて、金属プラズモニック構造とGHz周波数帯のフォノンの相互作用を観測した。ナノナノボイド周期構造や、異常光透過現象(EOT)を起こす微小開口格子、ナノスケール直線導波路の試料を測定した。ナノボイド周期構造試料では、2次元イメージングにより空洞試料のGHz振動を明らかにし、その振動が局在Mieプラズモンとどのように相互作用しているかを示した。EOT試料では、開口格子の集団振動を明らかにし、その振動が光透過率変調にもたらす効果について示した。導波路試料については、ナノスケール直線導波路試料とそれを用いた進行中の研究について記術する。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 連携研究者, 競争的資金, 22246012
  • 半導体量子構造における表面音響波を用いた電子・光物性制御
    科学研究費助成事業
    2008年 - 2011年
    松田 理, オリバ ライト, 友田 基信
    超短光パルス照射によって半導体試料に励起された表面音響波を用いて試料中の励起子を輸送しまたその寿命を制御することを目的とした。このためにGHz領域の表面音響波伝播の時間分解2次元イメージングとフォトルミネッセンス2次元イメージングを試料の同一領域にて低温(10K)で行える測定装置を開発した。また、イメージングにおいて励起光と検出光を共に変調するヘテロダイン法を発展させた。さらに偏光を用いて音響波の歪成分を解析する方法を構築した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 20360038
  • ミクロ構造におけるフォノン閉じ込めの可視化とモード制御
    科学研究費助成事業
    2007年 - 2009年
    オー・ビー ライト, 松田 理, 友田 基信, 田中 之博
    この研究は様々な新しいミクロスケール構造に閉じ込められたフォノンモードを、先例のないピコ秒時間分解能とマイクロメートル空間分解能、メガヘルツ周波数分解能で、可視化と制御するものである。以下の内容を研究した:フォノニック結晶中のブロッホ波とブロッホモードの可視化、フォノニック結晶導波路とフォノニック結晶キャビティ、ウィスパリングギャラリーモードの調査、音響的な負の屈折、弾性表面波場の位相特異性の調査、産業界で使われる弾性表面波共振器への応用。ミクロ構造におけるフォノン閉じ込めの可視化とモード制御
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 連携研究者, 競争的資金, 19206013
  • 超短光パルスを用いたピコ秒剪断音響波パルスの生成・検出とその応用
    科学研究費助成事業
    2005年 - 2007年
    松田 理, O・B Wright, 友田 基信
    ピコ秒時間幅の音響波パルスを用いて、物質のナノメートル内部構造やピコ秒時間域の電子と格子のダイナミクスを調べられる。特に、音響波パルス生成・検出に超短光パルスを用いるピコ秒レーザー音響法と呼ばれる方法は、多層薄膜構造の各層膜厚と弾性定数の測定や、物質中の超高速光励起キャリアダイナミクスの研究に活用されている。従来この方法では、試料の対称性による制約のために主として縦波音響波のみが用いられてきたが、縦波音響波に加えて剪断音響波を用いるならば、より広範な種々の物性が調べられる。このようなピコ秒剪断音響波発生・検出技術を開発し、これを様々な材料・構造評価や物性研究へ応用することを目的に以下の研究を行った。
    1.Zn単結晶およびGaAs単結晶の低対称性面上にSiO2薄膜を形成した試料を用いて、斜め入射プローブ光学系を用いたレーザーピコ秒音響波発生・検出の実験を行った。不均一媒質に斜め入射する光の散乱理論を構築し、これを用いた定量的解析により光弾性定数テンソル、超音波減衰定数、電子格子相互作用定数などの様々な物理量を得た。
    2.液体中のピコ秒超音波伝播を測定するための手法を開発し、Cr薄膜やGaAs単結晶で発生された数100GHz領域の音響波が水およびグリセロール中を伝播する様子の観測と解析を行った。
    3.斜め入射プローブ光学系の応用として、ピコ秒超音波法において表面変位成分に起因する信号のみを抽出する測定法を開発し、その検証実験を行った。
    4.異方性を持つ不均一な媒質中における音響波伝播の理論を構築した。
    5.ピコ秒超音波法を用いて試料表面をマッピングするための2次元走査技術を開発し、異方性を持つ銅単結晶および人工的に作製した周期構造(フォノニック結晶)表面を伝播する表面波の観測と解析を行った。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 17360024
  • フォトニック結晶ファイバーによる超高速音響光学変調器の開発
    科学研究費助成事業
    2004年 - 2005年
    WRIGHT O・B, 松田 理, 友田 基信, 田村 信一朗
    我々は、ローマ大学「ラ・サピエンザ」のR.Li Voti博士から提供された高精度のTiO_2/Ag多層膜試料を用い、試料中を伝播するピコ秒超音波の広範囲にわたる波長依存性・時間分解の測定を行った。同期した2つの波長可変な超短パルスレーザーシステムを使い、反射率変化の応答を観測した。この試料はフォトニックバンドギャップを波長400nm以下と800nm以上の光に対してもつので、ポンプ光の波長を800nmに固定してプローブ光の波長を400nm付近のバンドギャップエッジの周りで変化させ測定を行った。
    プローブ光の波長を400nmから長波長側へ走査し、プローブ光の波長により試料の反射率変化が増大することを発見した。これは、1次元フォトニック構造においてフォトニックバンドギャップが超高速音響光学作用を増大することに利用できることを結論付けるものである。
    我々はまた、プローブ光が試料中で多重反射する効果も含めた転送行列法によって、試料中を伝播するピコ秒超音波による反射率変化についての数値的なシミュレーションを行った。この理論結果は、すべてのプローブ光の波長領域において実験結果と一致し、これは初めてフォトニック構造におけるピコ秒時間領域での音響光学変調を定量的に評価したことになる。
    この研究は、さらに2次元や3次元フォトニック結晶におけるピコ秒音響光学作用に研究を拡張する基礎となるものである。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 北海道大学, 連携研究者, 競争的資金, 16656020
  • 半導体量子井戸におけるTHz音響フォノンを用いた電子波動関数の可視化とその応用
    科学研究費助成事業
    2001年 - 2005年
    O・B Wright, 松田 理, 友田 基信
    本研究で得られた成果の概要は以下のとおりである。
    1)複数の量子井戸層を持つGaAs/GaAlAs試料を用いてTHz音響フォノンの生成および検出実験を行った。また、この実験結果を定量的に解析するためにフォノン生成および検出についての理論モデルを構築した。
    2)我々は実験を重ね、測定の時間分解能およびフォノンパルス形状測定の忠実度を向上させた。i)より短い光パルス(400fs)を用いることにより量子井戸構造を用いて0.5THzまでの音響フォノン生成を確認した。ii)斜め入射プローブ光学系と偏光操作を用いた新しい測定系を構築した。Cr薄膜を用いた実験により、新しい手法の有効性を確認した。
    3)我々はピコ秒領域のフォノンパルスを検出するための新しい超高速サニアック干渉計を開発した。この方法はひとつの集光レンズを用いてフォノン生成・検出を行うもので、試料の片面から垂直入射光学系により測定を行うことができる。ポンププローブ光の水平位置を1ミクロンの精度で制御できる。
    4)量子井戸の実験解析を補助するためにバルクGaAs中での超高速フォノン励起に関する基礎的な研究を行った。試料中の光励起キャリアの超高速拡散を考慮したフォノンパルス生成モデルを構築した。また結晶の異方性を利用した剪断フォノンパルス生成・検出を実証した。
    5)量子井戸試料を用いてフォトルミネッセンスを利用した新しいフォノンパルス検出法の研究を行った。この方法は表面でのフォノン検出よりも時間分解能を高められると期待される。
    日本学術振興会, 基盤研究(S), 北海道大学, 連携研究者, 競争的資金, 13852006
  • 物質表面波伝播現象のピコ秒時間分解2次元リアルタイムイメージング
    科学研究費助成事業
    2002年 - 2003年
    松田 理, 友田 基信, 田村 信一朗, B. Wright Oliver
    異方性物質における表面フォノンフォーカシング現象のイメージは、音響エネルギー伝達速度の方向依存性を反映した複雑な形状を示し、興味深い。また産業的な観点からは、同イメージング技術は、GHz帯表面音響波デバイス開発において中心的な役割を果たすと期待される。異方性物質におけるMHz-GHz領域の表面フォノンフォーカシング現象の動画的観測を行うことにより、表面音響波の分散関係、複雑なナノスケール構造をもつ試料(表面音響波デバイス)における音響波伝播についての多くの知見が直接的に得られる。
    本研究では、表面音響波伝搬の実時間2次元イメージング技術の開発を行った。この技術は超高速光ポンププローブ法と共通光路型干渉計を組み合わせて、透明および不透明試料における表面音響波伝播を動画として観測するものである。ダイアモンド基板上に金薄膜を烝着した試料では最高2GHz程度の周波数成分を持つ表面音響波を観測した。また、等方性・異方性の透明・不透明試料における表面音響波伝搬の実時間イメージ測定結果から複数の表面音響波モードの分散関係を直接的に取得する解析方法を構築した。
    新しい不透明基板イメージング方法としては、可動鏡を使うイメージ測定方法を開発した。また、干渉計を用いた測定方法に加えて、反射率変化による測定方法を開発した。これに関連して不均一な光学定数分布を持つ試料に垂直または非垂直に入射する光の散乱理論の構築を進めた。
    応用研究としてはCu多結晶試料表面を伝搬する表面音響波の実時間イメージ測定を行った。結晶粒界通過時の表面波の屈折現象を観測し、FDTD法によるモデル計算と比較した。これにより表面波イメージングによる物質の内部構造評価の可能性が示された。
    以上、ピコ秒時間分解能・ミクロン空間分解能を持つ汎用的な表面音響波伝播観測技術の開発を行い、MHz-GHz表面音響波伝播の物理を明らかにした。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 14205014
  • ナノスケール領域におけるピコ秒振動のリアルタイムマッピング
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2001年
    松田 理, 稲垣 克彦, 武藤 俊一, WRIGHT Oliver B
    本研究は、ナノメートルスケールの空間分解能、ピコ秒領域の時間分解能をあわせ持つ新しい顕微鏡の開発を目的とした。その実現のためにナノメートルスケールの空間分解能を持つ走査型トンネル顕微鏡、走査型原子間力顕微鏡および超短レーザーパルスによるピコ秒の時間分解測定技術を組み合わせる方法をとった。このような要求を実現する具体的な方法として超短パルスレーザーと超高速光スイッチを走査型トンネル顕微鏡と組み合わせることが既に報告されているが、探針試料間の浮遊容量の影響により、高速動作時の空間分解能が制限される。そこで我々は、超短レーザパルス照射によって誘起される超高速フォノンパルスの伝搬の様子を原子間力顕微鏡で検出する方法を検討した。
    フェムト秒モードロックレーザーからの光パルスを2つの光路に分け、光学遅延を用いてぞれぞれの光路を進む光パルス間に±1ns程度の範囲の時間差を与える。また、それぞれの光パルス列を2種類の異なる周波数で変調する。これら2つの光路を通り変調を受けた光パルスを金属単層薄膜試料に照射し、試料中に超高速のフォノンパルスを励起する。フォノンパルスによる試料表面の平均変位を遅延時間の関数として原子間力顕微鏡で検出する方法について、理論的な考察と実験を行った。また関連研究として、超音波力顕微鏡によるナノスケール横分解能の弾性的性質評価技術の研究および半導体量子井戸構造を用いた超高速フォノンパルス励起の研究を行った。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 12305007
  • 光ヘテロダイン原子間力顕微鏡による固体熱物性のナノスケールイメージングの研究
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2001年
    WRIGHT Oliver B., 松田 理
    本研究は、固体熱物性の空間的分布をナノスケールで画像化できる光学ヘテロダイン原子間力顕微鏡を開発することを目的とした。試料表面においてレーザー照射により光熱的に励起された超音波振動(周波数100MHz以下)の振幅および位相を、ナノメートルの横空間分解能で2次元画像化する。これにより試料表面および表面下の熱的な性質についてのナノメートル空間分解能測定を可能にする。
    以下に示すようにして光ヘテロダイン原子間力顕微鏡を構築した。SiN透明カンチレバーを持つ原子間力顕微鏡のカンチレバー支持部に圧電素子をとりつけ、カンチレバーを周波数ω_1=11MHzにて振動させる。探針による試料表面の観察部位にω_1近傍の周波数ω_2で変調された赤外光を照射し試料表面に周期的な熱振動を励起する。試料表面は試料の局所的熱物性を反映してω_2による膨張収縮を繰り返す。試料探針間相互作用の試料探針間距離に対する非線形性により、カンチレバーの平均変位はω_1-ω_2の振動数で変化する。この変化の振幅と位相を原子間力顕微鏡の光てこ検出部を用いて検出し画像化する。試料としてSi基板上にCr薄膜(膜厚100nm)およびSiO_2/Cr薄膜(膜厚150nm/100nm)を作製したものを用いた。これらは同一基板上にμmスケールのモザイク状に形成されている。試料表面層は同一膜厚のCr層で覆われているので、表面から100nm深さまでの機械的な性質は試料表面の場所によらないようになっている。この試料についての光ヘテロダイン顕微鏡による観測を行った。試料表面下のSiO_2層の有無による熱物性の違いを反映して、位相像に大きなコントラストが得られた。1次元熱拡散モデルに基づいてこのコントラストを半定量的に解析した。これらの結果により光ヘテロダイン顕微鏡が試料表面下の局所的熱物性を画像化する有力な手段であることが示された。
    日本学術振興会, 萌芽的研究, 北海道大学, 連携研究者, 競争的資金, 12875007
  • 走査型超音波プローブ顕微鏡によるナノスケール分解能弾性・非弾性評価技術の開発
    科学研究費助成事業
    1999年 - 2000年
    松田 理, 稲垣 克彦, 武藤 俊一, OLIVER B. Wright, 山本 典孝
    本研究は、1nm以下の水平分解能を持つ走査型超音波プローブ顕微鏡の応用の開発と物理の解明を行う。試料・探針カンチレバーの振動に寄与する弾性力・粘性、試料・探針間の表面エネルギーによる吸着力を分離し解析し、それにより固体表面の局所的複素弾性率の測定を定量化することを目標とした。
    セイコー電子製の大気中動作原子間力顕微鏡を改造して、カンチレバー支持部分および試料ホルダーにPZT圧電素子を埋め込み、カンチレバーおよび探針に超音波振動を励起できる走査型超音波プローブ顕微鏡を作製した。作製した走査型超音波プローブ顕微鏡を用いて、カンチレバーの共振周波数の上および下を含む様々な振動数および様々な振幅を持つ超音波励起下で、試料探針間距離とカンチレバーの変位との関係を示すフォースカーブ測定を行った。試料としてはSi単結晶、GaAs単結晶を用いた。振動の振幅はマイケルソン干渉計で校正した。得られたフォースカーブには以下のような共通の現象が見られた。1)振動を加えていない場合、試料探針の接近時には小さな「ジャンプイン」、引き離し時には比較的大きな「ジャンプアウト」が観測される。2)試料の振幅を増していくと、「ジャンプアウト」の起る試料ステージ位置は急速に高くなっていく。3)ある閾値以上の振幅では、接近、引き離し時共にほぼ同じ試料ステージ位置で特徴的な斥力側へのジャンプが観測された。
    上記の実験結果を理解するために、試料-探針間の弾性力、ダンピング、吸着力およびカンチレバーの弾性、ダンピングを考慮してカンチレバーのダイナミクスを差分解析法を用いて数値的に解析した。試料探針間の相互作用としてJKRモデルを用いた。計算結果は、上記1)および2)の実験結果については定量的に再現することができ、この解析法が有効であることが示された。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 11555018
  • 金属中の超高速電子拡散・コヒーレントフォノン生成過程のナノスケールプロービング
    科学研究費助成事業
    1999年 - 2000年
    OLIVER B Wright, 松田 理, 田村 信一朗
    本研究の主な目的は、フェムト秒光パルスを用いて基本的な金属物質およびナノ構造に対する超高速音響フォノン生成および伝搬について知識を拡大することである。直径数ミクロン程度まで集光した励起光およびプローブ光を用いることで、10ミクロン程度の空間分解能でフォノンを検出することが出来る。このために、我々は垂直入射の超高速反射率変化測定法と超高速干渉測定法を利用した。
    我々は、アモルファスおよび液体金属中のコヒーレントフォノンの生成および検出を初めて行なった。水銀における非対称のフォノンパルス形状の結果は、電子拡散がフォノン生成に影響を及ぼしていることを明らかした。また、ピコ秒フォノンパルスがアモルファス金属中で生成および検出されることを初めて示した。
    100フェムト秒程度の光パルスを用いた遷移金属中、特にCrとNiについてのコヒーレントフォノン生成および検出実験結果は、実験によって測定された超音波吸収を正しく考慮にいれた2温度モデルによってよく説明された。
    20フェムト秒程度の赤外光パルスを用いた遷移金属中の超短光パルス実験を初めて試みた。超短時間スケールにおける超高速電子散乱の影響が、異なる膜厚の試料についてのデータ中に明らかに現れている。厚い膜については著しい極性反転の信号を観測した。
    多層金属構造中のコヒーレントフォノンパルス生成についての予備的な結果は、観測された音響エコーを説明するために電子散乱を考慮にいる必要があることを示している。
    多層構造による光の反射および透過の様子を解明するために関連する研究を行なった。縦コヒーレントフォノンだけではなく、せん断コヒーレントフォノンについても考慮した。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 連携研究者, 競争的資金, 11305008
  • 多成分ガラス半導体における硬さのパーコレーション・中距離構造とフラクトンの研究
    科学研究費助成事業
    1997年 - 2000年
    邑瀬 和生, 松田 理, 井上 恒一, 王 勇
    本研究は,カルコゲナイドガラスの構造や力学特性等の諸性質に対し、中距離構造の形成・変化、硬さのパーコレーション、フラジリティ、フラクトンといったミクロ・メゾスコピックな観点から研究を進めている。(Ge、Sn)-(Se、S)系をついて主として、ラマン散乱と赤外分光を実験手段としている。この系は広い組成領域で、過冷却状態を経て、ガラス状態に凍結する。組成、圧力、温度を変えて振動スペクトルを調べ、Phillips-Thorpeの拘束理論に基づく硬さのパーコレーション転移の臨界組成で振動スペクトルの異常をはじめて観測した。
    ・ガラス-過冷却液体転移、再結晶過程をラマン散乱スペクトルにより研究し、非平衡相図を求め、臨界組成で再結晶化が急に生ずることを見出し、ナノ構造の自己組織化を提唱した。
    ・低波数域のラマン散乱スペクトルで、フラクトンのふるまいを見出し、ネットワークの次元性と硬さのパーコレーション、フラジリティーに関する新しい発展をもたらした。
    ・ガラス構造を知るために、結晶GeSe_2の電子状態と振動スペクトルと比較した結果、ガラスの基本骨格は結晶構造のフラグメントであり、ガラス内の化学秩序の破れとナイ構造相分離が光誘起構造変化と光誘起結晶化で重要な役割を演ずることをつきとめた。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 大阪大学, 連携研究者, 競争的資金, 09440117
  • アモルファスカルコゲナイド半導体における異方性光誘起構造変化現象の研究
    科学研究費助成事業
    1998年 - 1999年
    松田 理
    物質の準安定状態であるガラス状態は、通常、熱的な励起により、安定な結晶状態に移行する。アモルファスカルコゲナイド半導体ではこの転移を光照射によって起こすことができる。光には偏光方向の自由度があるので、このような構造変化にかかわる特徴的な方向(例えば結晶軸)を励起光の偏向方向によって制御できる可能性がある。本研究では、光誘起構造変化現象における光励起状態の緩和過程の果たす役割について調べる。
    アモルファスカルコゲナイド半導体における、光励起直後の電子励起状態の緩和過程を調べることを目指して。フェムト秒光パルスを用いたポンププローブ超高速過渡的反射率変化測定装置を組み立てた。この測定装置に用いる新しい共通パス型の干渉計を開発した。本装置により試料のピコ秒時間領域の反射率変化および表面変位を検出することができる。
    装置の評価のためにアモルファスSi薄膜についての測定を行った。結果を定量的に理解するために、薄膜試料内での熱伝搬、超音波伝搬、電子格子相互作用を考慮したモデルの構築を行った。また、等方的なアモルファス物質中に光によって誘起される非等方的な誘電率変化を検出するための実験配置について詳しい検討を行った。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 10740149
  • Ultra high frequency phonon pulse generation and detection in solids and liquids　　　　　　　　　　　　　　　
    1998年
    競争的資金
  • 時間分解フォトルミネッセンス測定によるカルコゲナイド半導体の励起子緩和過程の研究
    科学研究費助成事業
    1995年 - 1996年
    松田 理, 井上 恒一
    Se, SなどのVI族元素を含むアモルファスカルコゲナイド半導体では、光黒化、光退色、光結晶化などの様々な光誘起構造変化現象がみられる。これらの現象は、光によって励起された電子が緩和する際に、強い電子-格子相互作用を介して大きな格子の変形を引き起こすことによって起こると考えられる。アモルファス物質が熱平衡状態にないということも、構造変化現象を考える上で重要である。このような構造変化には、物質中に2配位で組み込まれているカルコゲン原子が大きく関与していると考えられるが、その詳細はまだ明らかでない。特に、励起電子がどのように緩和するのかという点についての、基本的かつ具体的な理解が不足している。
    典型的なカルコゲナイド半導体である結晶GeSe_2およびGeSe_2ガラスについて、その励起電子緩和過程についての知見を得るために、フォトルミネッセンスの時間分解測定を行った。これらはいずれも可視域(約2.2〜2.7eV)にバンドギャップを持つが、バンドギャップ程度のエネルギーを持つ光で励起すると近赤外域(約1eV)に幅の広いガウシアン型のルミネッセンススペクトルを示す。この大きなストークスシフトは、この系の強い電子格子相互作用に起因する。連続発振レーザー光を光音響変調素子を用いて適当な周期の断続光にしてルミネッセンスの励起に用い、励起光遮断直後からのルミネッセンスの減衰を数100nsecから数msecの範囲にわたって調べた。両者のルミネッセンススペクトルには類似する点が多く、その発光の始状態はいずれも強く局在していると考えられる。ガラスGeSe_2では、減衰が拡張指数型であるのに対し、結晶GeSe_2では単一指数関数型である。乱れのある系での拡張指数型減衰は、ガラスの発光がエネルギー分布を持つ多数の発光中心に起因するためと考えられる。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 大阪大学, 研究代表者, 競争的資金, 07640445
  • カルコゲナイド半導体の励起緩和過程の研究
    科学研究費助成事業
    1992年 - 1992年
    松田 理
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 大阪大学, 04740168

産業財産権

  • 試料の物理的性質の測定方法　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権, 松田 理
    特願2013-93863, 2013年04月26日
  • 試料の物理的性質の測定方法　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権, オリバ ライト, デビッド ハーリー, 松田 理
    特願2000-038980, 2000年02月17日
    特開2001-338232, 2001年08月24日
    特許3288670
    2006年04月12日
  • 試料の物理的性質の測定方法
    特許権, 松田 理, オリバ ライト, 菅原 美博, ヴィタリィ グセフ, 独立行政法人科学技術振興機構
    特願2002-032916, 2002年02月08日
    特開2003-232778, 2003年08月22日
    特許第3766032号
    2006年02月03日
    200903007748260765
  • 試料の物理的な特性を測定するための装置
    特許権
    特願2005-117623, 2005年04月15日
    特開2005-338063, 2005年12月08日
    200903047610339141
  • 試料の物理的性質の測定装置
    特許権, オリバ ライト, デビット ハーリー, 松田 理, 科学技術振興事業団
    特願2000-038982, 2000年02月17日
    特開2001-228123, 2001年08月24日
    特許第3288672号
    2002年03月15日
    200903068939460208
  • 試料の物理的性質の測定装置
    特許権, オリバ ライト, デビッド ハーリー, 松田 理, 科学技術振興事業団
    特願2000-038981, 2000年02月17日
    特開2001-228122, 2001年08月24日
    特許第3288671号
    2002年03月15日
    200903090253167550
  • Two-arm Sagnac interferometer with two beam splitters　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    6552799
  • Two-arm Sagnac interferometer with three beam splitters　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    6549285
  • Single-arm Sagnac interferometer with two beam splitters　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    6552800
  • Instrument for measuring physical property of sample　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    EP1171643A1