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SENJU; A New time-of-flight single-crystal neutron diffractometer at J-PARC

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 及川 健一; 金子 耕士; 川崎 卓郎; 田村 格良; 中尾 朗子*; 花島 隆泰*; 宗像 孝司*; 茂吉 武人*; et al.

Journal of Applied Crystallography, 49(1), p.120 - 127, 2016/02

 被引用回数:33 パーセンタイル:94.36(Chemistry, Multidisciplinary)

SENJU, a time-of-flight Laue-type single-crystal neutron diffractometer, was developed at the Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) of the Japan Accelerator Research Complex (J-PARC). Molecular structure analysis of a sub-millimeter taurine crystal and magnetic structure analysis of a MnF$$_{2}$$ crystal were performed to evaluate its performance.


Direct observation of strain in InAs quantum dots and cap layer during molecular beam epitaxial growth using ${{it in situ}}$ X-ray diffraction

下村 憲一*; 鈴木 秀俊*; 佐々木 拓生; 高橋 正光; 大下 祥雄*; 神谷 格*

Journal of Applied Physics, 118(18), p.185303_1 - 185303_7, 2015/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:37.13(Physics, Applied)

Direct measurements on the growth of InAs quantum dots (QDs) and various cap layers during molecular beam epitaxy are performed by ${{it in situ}}$ X-ray diffraction (XRD). The evolution of strain induced both in the QDs and cap layers during capping is discussed based on the XRD intensity transients obtained at various lattice constants. Transients with different features are observed from those obtained during InGaAs and GaAs capping, attributed to In-Ga intermixing between the QDs and the cap layer. Photoluminescence wavelength can be tuned by controlling the intermixing and the cap layer thickness. It is demonstrated that such information about strain is useful for designing and preparing novel device structures.


Instrument design and performance evaluation of a new single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC

及川 健一; 川崎 卓郎; 大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 金子 耕士; 田村 格良; 中村 龍也; 原田 正英; 中尾 朗子*; 花島 隆泰*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 1, p.014013_1 - 014013_5, 2014/03

新しいTOF型単結晶中性子回折装置がJ-PARC/MLFのBL18に設置された。本装置「SENJU」は、低温高磁場のような多重極限環境下において1.0mm$$^3$$未満の小さな単結晶を使用して精密な結晶構造や磁気構造解析を実現するために設計された。2012年3月5日に、本装置へ初中性子が導かれ、その後SENJUのハードウェア及びソフトウェアが設計通り機能していることが確認された。また、幾つかの有機及び無機の標準的な単結晶を用いて回折実験が行われた。これらの測定では、高いQ領域(d$$<$$ 0.5 $AA)$のブラッグ反射が明確に測定され、精度よく解析された。発表では、SENJUの装置設計及びその性能評価を詳細に報告する。


Observation of in-plane asymmetric strain relaxation during crystal growth and growth interruption in InGaAs/GaAs(001)

佐々木 拓生*; 下村 憲一*; 鈴木 秀俊*; 高橋 正光; 神谷 格*; 大下 祥雄*; 山口 真史*

Japanese Journal of Applied Physics, 51(2), p.02BP01_1 - 02BP01_3, 2012/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:10.01(Physics, Applied)

In-plane asymmetric strain relaxation in lattice-mismatched InGaAs/GaAs(001) heteroepitaxy is studied by ${it in situ}$ three-dimensional X-ray reciprocal space mapping. Repeating crystal growth and growth interruptions during measurements allows us to investigate whether the strain relaxation is limited at a certain thickness or saturated. We find that the degree of relaxation during growth interruption depends on both the film thickness and the in-plane directions. Significant lattice relaxation is observed in rapid relaxation regimes during interruption. This is a clear indication that relaxation is kinetically limited. In addition, relaxation along the [110] direction can saturate more readily than that along the [$${bar 1}$$10] direction. We discuss this result in terms of the interaction between orthogonally aligned dislocations.


Current status of a time-of-flight single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC

田村 格良; 及川 健一; 川崎 卓郎; 大原 高志; 金子 耕士; 鬼柳 亮嗣; 木村 宏之*; 高橋 美和子; 清谷 多美子*; 新井 正敏; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 340, p.012040_1 - 012040_4, 2012/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:94.91

SENJU is a state-of-the-art single crystal time-of-flight Laue diffractometer in Materials and Life Science Experimental Facility at Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). The diffractometer is designed for precise crystal and magnetic structure analyses under multiple extreme conditions, such as low temperature, high-pressure, high-magnetic field. A measurement using small sample less than 1.0 mm$$^{3}$$ will be also realized, which allows us to study wide variety of materials. SENJU is aimed at a poisoned decoupled moderator to obtain peak profiles of Bragg reflection, and intensity distributions of superlattice reflections and diffuse scatterings with good accuracy. At the beginning, the diffractometer will have 31 two-dimensional scintillator detectors to cover wide area of reciprocal lattice space by a single measurement. The instrument is currently under construction and is scheduled to start on-beam commissioning by the end of 2011.


Real-time structural analysis of compositionally graded InGaAs/GaAs(001) layers

佐々木 拓生*; 鈴木 秀俊*; 稲垣 充*; 池田 和磨*; 下村 憲一*; 高橋 正光; 神津 美和*; Hu, W.; 神谷 格*; 大下 祥雄*; et al.

IEEE Journal of Photovoltaics, 2(1), p.35 - 40, 2012/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:25.16(Energy & Fuels)

Compositionally step-graded InGaAs/GaAs(001) buffers with overshooting (OS) layers were evaluated by several characterization techniques for higher efficiency metamorphic III-V multijunction solar cells. By high-resolution X-ray diffraction, we found that fully relaxed or tensile strained top layers can be obtained by choosing appropriate OS layer thickness. Moreover, from real-time structural analysis using ${it in situ}$ X-ray reciprocal space mapping (${it in situ}$ RSM), it was proved that the top layer is almost strained to the OS layers, and it is independent of the thicknesses of the OS layers. Dislocations in the vicinity of the OS layers were observed by transmission electron microscopy, and the validity of results of ${it in situ}$ RSM was confirmed from the viewpoint of misfit dislocation behavior. Finally, by photoluminescence measurements, we showed that tensile strained top layers may be suitable for the improvement of minority-carrier lifetime.


X-ray reciprocal space mapping of dislocation-mediated strain relaxation during InGaAs/GaAs(001) epitaxial growth

佐々木 拓生*; 鈴木 秀俊*; 高橋 正光; 大下 祥雄*; 神谷 格*; 山口 真史*

Journal of Applied Physics, 110(11), p.113502_1 - 113502_7, 2011/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:47.47(Physics, Applied)

Dislocation-mediated strain relaxation during lattice-mismatched InGaAs/GaAs(001) heteroepitaxy was studied through ${it in situ}$ X-ray reciprocal space mapping. At the synchrotron radiation facility SPring-8, a hybrid system of molecular beam epitaxy and X-ray diffractometry with a two-dimensional detector enabled us to perform ${it in situ}$ reciprocal space mapping at high-speed and high-resolution. Using this experimental setup, the lattice constants, the diffraction broadenings along in-plane and out-of-plane directions, and the diffuse scattering were investigated. The strain relaxation processes were classified into four thickness ranges with different dislocation behavior. In addition, the existence of transition regimes between the thickness ranges was identified.


Repetition Rate Multiplication: RRM, an advanced measuring method planed for the backscattering instrument, ${it DNA}$ at the MLF, J-PARC

高橋 伸明; 柴田 薫; 川北 至信; 中島 健次; 稲村 泰弘; 中谷 健; 中川 洋; 藤原 悟; 佐藤 卓*; 筑紫 格*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 80(Suppl.B), p.SB007_1 - SB007_4, 2011/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:41.54(Physics, Multidisciplinary)

A TOF-BSS named ${it DNA}$ has been under construction on BL02 in the MLF of J-PARC. We have estimated expected performances of several candidates under realistic neutron source parameters at MLF. The expected neutron intensity under comparable energy resolutions of the ${it DNA}$-type is 2.6 times higher than that of the BASIS-type. Consequently, we have chosen the CM with pulse-shaping device for ${it DNA}$. Pulse-shaping is a good technique from a view point of a variability of resolution. On the other hand, a neutron energy band passing through the pulse-shaping chopper is limited and thus scanning range with one phase of the chopper is narrow. Of course, ${it DNA}$ also can access larger energy transfers by appropriate phasing of the pulse-shaping chopper. In addition, ${it DNA}$ will be able to utilize Repetition Rate Multiplication (RRM). RRM is essentially a way to employ multiple pulse-shaped incident neutron beams to effectively increase neutron counting time to more efficiently measure the inelastic region. In this presentation we will show the chopper sequence and introduce the RRM mode of the forthcoming backscattering spectrometer ${it DNA}$ in detail.


Growth temperature dependence of strain relaxation during InGaAs/GaAs(0 0 1) heteroepitaxy

佐々木 拓生*; 鈴木 秀俊*; 崔 炳久*; 高橋 正光; 藤川 誠司; 神谷 格*; 大下 祥雄*; 山口 真史*

Journal of Crystal Growth, 323(1), p.13 - 16, 2011/05

 被引用回数:17 パーセンタイル:82.2(Crystallography)

In$$_{0.12}$$Ga$$_{0.88}$$As/GaAs(001)の分子線エピタキシャル成長中のひずみ緩和の様子をその場X線逆格子マッピングにより解析した。成長温度420, 445, 477$$^{circ}$$Cにおける残留ひずみ・結晶性の変化の様子が測定された。Dodson-Tsaoの運動学的モデルは、実験による残留ひずみの測定結果とよく一致することがわかった。さらにひずみ緩和過程における転位の運動の温度依存性の解析から、転位の運動の熱励起を議論することが可能になった。


Real-time observation of anisotropic strain relaxation by three-dimensional reciprocal space mapping during InGaAs/GaAs(001) growth

鈴木 秀俊*; 佐々木 拓生*; 崔 炳久*; 大下 祥雄*; 神谷 格*; 山口 真史*; 高橋 正光; 藤川 誠司

Applied Physics Letters, 97(4), p.041906_1 - 041906_3, 2010/07

 被引用回数:30 パーセンタイル:76.37(Physics, Applied)

Real-time three-dimensional reciprocal space mapping measurement during In$$_{0.12}$$Ga$$_{0.88}$$As/GaAs(001) molecular beam epitaxial growth has been performed to investigate anisotropy in relaxation processes. Anisotropies, strain relaxation, and crystal quality in [110] and [1$$bar{1}$$0] directions were simultaneously evaluated via the position and broadness of 022 diffraction. In the small-thickness region, strain relaxation caused by $$alpha$$-dislocations is higher than that caused by $$beta$$-dislocations, and therefore crystal quality along [110] is worse than that along [1$$bar{1}$$0]. Rapid relaxation along both [110] and [1$$bar{1}$$0] directions occurs at almost the same thickness. After rapid relaxation, anisotropy in strain relaxation gradually decreases, whereas crystal quality along [1$$bar{1}$$0] direction, presumably due to $$beta$$-dislocations, becomes better that along [110] direction and the ratio does not decay with thickness.


${it In situ}$ real-time X-Ray reciprocal space mapping during InGaAs/GaAs growth for understanding strain relaxation mechanisms

佐々木 拓生*; 鈴木 秀俊*; 崔 炳久*; Lee, J.-H.*; 高橋 正光; 藤川 誠司; 新船 幸二*; 神谷 格*; 大下 祥雄*; 山口 真史*

Applied Physics Express, 2, p.085501_1 - 085501_3, 2009/07

 被引用回数:34 パーセンタイル:78.52(Physics, Applied)

${it In situ}$ real-time X-ray diffraction measurements during In$$_{0.12}$$Ga$$_{0.88}$$As/GaAs(001) epitaxial growth are performed for the first time to understand the strain relaxation mechanisms in a lattice-mismatched system. The high resolution reciprocal space maps of 004 diffraction obtained at interval of 6.2 nm thickness enable transient behavior of residual strain and crystal quality to be observed simultaneously as a function of InGaAs film thickness. From the evolution of these data, five thickness ranges with different relaxation processes and these transition points are determined quantitatively, and the dominant dislocation behavior in each phase is deduced.


Study of the analyzer crystals for use in the near-backscattering spectrometer DNA at J-PARC

高橋 伸明; 柴田 薫; 佐藤 卓*; 川北 至信*; 筑紫 格*; 目時 直人; 中島 健次; 新井 正敏

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.91 - 93, 2009/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:49.46(Instruments & Instrumentation)

J-PARC、MLF施設に建設が予定されている飛行時間型結晶アナライザー分光器DNAは、PG(002), Ge(311), Si(111)の3種類の結晶アナライザーを用いてタンパク質などの生化学物質の低エネルギーダイナミクスを高強度,高エネルギー分解能で測定するための中性子非弾性散乱分光器である。高エネルギー分解能を目指すSi(111)は完全結晶を用いるが、PG(002)やGe(311)は、結晶ウエハ中に適当なモザイクを入れて反射強度を増大させる必要がある。われわれは、当該分光器にとって最適な仕様を明らかにするため、さまざまな結晶モザイクを有するPG(002)について、また、ホットプレス(高温高圧処理)により結晶モザイクをコントロールしたGe(311)結晶について、中性子ビーム実験を行った。



柴田 薫; 高橋 伸明; 中川 洋; 藤原 悟; 片岡 幹雄; 佐藤 卓*; 川北 至信*; 筑紫 格*

日本結晶学会誌, 50(1), p.46 - 50, 2008/02



Instrumental design and expected performance of coupled-moderator near-backscattering spectrometer at J-PARC

高橋 伸明; 柴田 薫; 佐藤 卓*; 田村 格良; 梶本 亮一; Harjo, S.; 及川 健一; 新井 正敏; Mezei, F.*

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 68(11), p.2199 - 2203, 2007/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:37(Chemistry, Multidisciplinary)

J-PARC MLFに設置が計画されている逆転配置型分光器(DIANA)は非結合型減速材を線源とし、飛行距離32mを持つ装置として検討がすすめられてきた。最近われわれは、これまでの経験を元にした性能向上を目的に、JSNSの4種類の減速材を線源としたDIANA型の逆転配置型分光器を強度,分解能,S/N,特性エネルギーなどあらゆる観点から再構築し、計算機上で設計・シミュレーションを行った。その結果、非結合型減速材を線源とする飛行距離21.5m又は39mの選択肢、又は、結合型減速材を線源とする飛行距離45mの選択肢が新たに浮上した。特に結合型減速材を線源とする選択肢は、グラファイトやゲルマニウムをアナライザーとする通常測定において18-24%程度の分解能の低下は見込まれるものの6-8倍の強度増大が非減速材型に対し見込まれることがわかった。さらに、パルス整形とシリコンアナライザーを用いる高分解能測定においては同程度の分解能,24倍の強度増大,3倍の走査エネルギー範囲拡大が見込まれることが明らかとなった。



柴田 薫; 高橋 伸明; 佐藤 卓*; 川北 至信*; 筑紫 格*; 中川 洋; 藤原 悟; 中島 健次; 新井 正敏

no journal, , 

JAEAがJ-PARC物質・生命科学実験施設MLF中性子源の結合型ビームラインBL02に設置することを計画している逆転配置型分光器(DNA)は線源から試料位置までの飛行距離を約42mとり、PG002, Ge311, Si111の3種類の集光型結晶アナライザーを使用し、広いQ-E空間を高エネルギー分解能大強度で微少試料の中性子非弾性散乱実験を実施可能な測定装置として計画中である。今後、実際の装置建設計画を検討するにあたり、建設の容易さ,コストの低減を考慮した装置各部分の詳細検討を実施中である。本報告では最新の検討結果を報告する。本体真空槽に関して、3種類の集光型結晶アナライザーを経済的・効率的に配置するためビームライン軸上に上流・下流部分に2種類の真空槽に分割設置する案を現在検討中である。結晶アナライザーの配置方式に関して、上流真空槽に設置するPG002, Ge311については結晶配置ミラー面の設計・加工方法の検討を実施中である。また、下流部真空槽に設置するSi111については結晶配置ミラー面に半径2mの球面の一部を使用して低コストで高分解能の分光配置を実現する検討を行っている。その他、アナライザー結晶のモザイク制御方法等の検討結果について報告予定である。



柴田 薫; 高橋 伸明; 川北 至信*; 佐藤 卓*; 筑紫 格*; 目時 直人; Mamontov, E.*; 中島 健次; 新井 正敏

no journal, , 

J-PARC/MLFに設置が計画されている逆転配置型分光器(DNA)用結晶アナライザーにPG(002), Ge(311)を大強度測定モード用、Si(111), Si(311)を高エネルギー分解能測定モードに使用することを検討している。今回、アナライザー結晶に用いるPG(002), Ge(311)結晶について反射強度・モザイク幅の評価及び制御方法の検討を行った。評価のための中性子ビーム実験はJAEA・JRR-3研究用原子炉熱中性子ガイドMUSASI-LポートにおいてEi=13.5meVを用いて実施した。Ge結晶に関しては、(A)As-cut Ge wafer(厚さt=0.25mm)を重ねた場合の重ね合わせ枚数に対する反射強度・モザイク度の依存性、及び(B)Ge板のHot-Press加工条件(温度・圧力等)に対する反射強度・モザイク度の依存性についてそれぞれ測定・検討結果を報告する。併せて複数メーカーが作成した数種類のPG結晶に関する評価結果(反射強度・モザイク幅)を報告する。このほか、Si(111), Si(311)を用いる高エネルギー分解能測定モード用結晶配置方法とその分光仕様について検討結果を報告する予定である。


Potential of 1 micro-eV energy resolution of the Si-analyzer backscattering spectrometer DNA at the spallation neutron source J-PARC

高橋 伸明; 柴田 薫; 佐藤 卓*; 川北 至信*; 筑紫 格*; 中島 健次; 新井 正敏

no journal, , 

飛行時間型のSiアナライザー背面反射分光器DNAは、J-PARC物質生命科学実験施設(MLF)に設置が計画されている。本装置には、Si(111), Si(311)アナライザーが、線源から43mに位置する真空散乱槽内に設置される。この分光器は、数meV程度の低エネルギー(Siアナライザーの反射エネルギー)の中性子を最大強度で享受するため、結合型減速材を線源に選択している。一方、結合型減速材のパルス時間幅は、3種類の減速材中最も広いため、ビームライン上の線源からできるだけ近い位置にパルス整形デバイスとして高速ディスクチョッパーを備える予定である。本発表では、本実験装置の概念設計並びに、そこから期待されるエネルギー分解能を示すとともに、定常炉線源に設置されている同型の実験装置やパルス中性子源に設置される飛行距離が長く、パルス時間幅が狭いが強度の弱い減速材を線源としている分光器と比較議論する。


The Study of thermal diffuse scattering measured by pulsed neutron diffraction

柴田 薫; 高橋 伸明; 筑紫 格*; 中島 健次; 新井 正敏

no journal, , 

本国際会議において、パルス中性子回折法でブラッグ反射近傍に測定される熱散漫散乱の測定結果及び理論的予測との比較検討結果を報告する。この熱散漫散乱は、散乱角度が背面反射条件近傍で白色パルス中性子線を用いた飛行時間法単結晶回折測定を行う際に、ブラッグ反射近傍に音響フォノン起源のピーク状散漫散乱として測定される。この散漫散乱は、単結晶をエネルギー解析結晶として分光器に使用する場合、分解能関数の裾野が広がる原因になることが知られている。また、散漫散乱の出現位置から音速の評価が可能なことが理論的に予測されている。本報告では、結晶アナライザーに用いられるPG002, Si111, Mica006ブラッグ反射周辺の熱散漫散乱の測定結果の報告を行う。また、理論予測との比較を行い、結晶アナライザーとして用いた際のバックグラウンドの評価方法及び低減方法の理論的指針の検討結果も議論する。



柴田 薫; 高橋 伸明; 筑紫 格*; 川北 至信*; 佐藤 卓*; 中島 健次; 新井 正敏

no journal, , 

白色パルス中性子飛行時間回折法による単結晶試料を用いたブラッグ反射の測定においてブラッグ反射条件周辺で音響フォノン由来のサイドピーク状の熱散漫散乱(TDS)が観察されることが報告されている。また、この散漫散乱はパルス中性子源に設置されるエネルギー解析用単結晶を用いる非弾性散乱装置においては分解能関数の裾野を広げるバックグラウンドになることも報告されている。今回の研究発表では、結晶アナライザーの単結晶として用いられるPG002, Si111, Mica006の単結晶ブラッグ反射について、ブラッグ反射条件の周辺における熱散漫散乱の測定結果を報告する。また英国のグループにより報告されているこのタイプの熱散漫散乱に関する散乱理論を用いたわれわれの測定データの検討結果も報告する。これらの検討結果をもとに行った、現在J-PARCセンター物質生命科学実験施設に設置計画を進めている背面反射型高エネルギー分解能分光器(DNA)のSi111反射を用いた分解能関数への熱散漫散乱の影響に関する検討結果についても報告を行う予定である。


Instrumental design and expected performance of the near backscattering Si crystal analyzer spectrometer DNA at the J-PARC pulsed neutron source

柴田 薫; 高橋 伸明; 川北 至信*; 佐藤 卓*; 筑紫 格*; 中川 洋; 藤原 悟; 中島 健次; 新井 正敏

no journal, , 

ドイツBernriedで開催されるJCNS Workshop 2008 "Modern Trends in Neutron Scattering Instrumentation"に参加し、J-PARCに建設計画中のDNA分光器の装置仕様を口頭発表する。報告内容は、現在までに検討を進めてきたDNA分光器のSiアナライザー結晶を用いた高エネルギー分解能測定における期待される分解能(約1micro eV)、測定強度、分解能関数等及びそれらを達成するために検討を進めてきた分光器を構成する各デバイスの仕様について行う。分光器建設の専門家が集まるワークショップでDNA分光器の詳細な仕様について発表を行うことで貴重な意見を得ることが期待される。

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