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Light emission from strongly coupled metal-free carbon dots and nanophotonic resonator

Research Project

Project/Area Number 20F20375
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

長尾 忠昭 (2020, 2022)  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (40267456)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) BARMAN BARUN  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 外国人特別研究員
Host Researcher 長尾 忠昭 (2021)  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (40267456)
Foreign Research Fellow BARMAN BARUN  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2020-11-13 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2020: ¥100,000 (Direct Cost: ¥100,000)
Keywordsカーボンドット / 蛍光体 / 可視発光 / 白色発光 / レーザー
Outline of Research at the Start

本研究うでは1次元共振器構造と軽元素のみからなるカーボンドット蛍光体を開発し、これらを組み合わせた発光素子を開拓する。量子収率が90%を超えるカーボンドット蛍光体をベースにこれらを透明マトリックスに担持させて、共振器構造に組み込んだ、高効率な発光システムを実現する。紫外LEDを入力光源とした白色LEDや紫外励起による可視帯域のレーザーデバイスを開発し、カーボントッド蛍光体を基軸とした重金属フリーな、高効率で長寿命な発光デバイスの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では1次元共振器構造と軽元素のみからなるカーボンドット蛍光体を開発し、これらを組み合わせた発光素子を開拓する。量子収率が90%を超えるカーボンドット蛍光体をベースにこれらを透明マトリックスに担持させて、共振器構造に組み込んだ、高効率な発光システムを実現する。紫外LEDを入力光源とした白色LEDや紫外励起による可視帯域のレーザーデバイスを開発し、カーボントッド蛍光体を基軸とした重金属フリーな、高効率で長寿命な発光デバイスの実現を目指す。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度は分布帰還形(DBR)型フォトニック共振構造を中心に開発し、これらとカーボンドット蛍光体とを組み合わせた強結合型発光素子を製作した。黒体軌跡に近い色度を持つ白色発光が得られ、この材料の色度に影響するドーパントと構造因子を同定した。そして、その知見を応用して、合成条件の違いで黒体軌跡に沿って色度を自由に調整できることを示した。
レーザー発振については安定性の向上を目指しつつ、関連してマイクロ球蛍光体の球を共振器として用いた「ささやきの回廊」効果による発光現象も見出した。紫外光吸収材料としての性能も向上し、ZnOとの性能比較により、同等の性能である知見も得られつつある。
国際会議での発表も積極的に行い、若手優秀発表賞を得るなど、成果発信にも努めた。

Strategy for Future Research Activity

上記の、合成条件により色度調整可能な白色発光材料の研究を進め、論文発表を行う。そして、この研究に続いて、合成ではなく、DBRの構造制御を通した色度調整が可能化も検討し、こちらも黒体軌跡に沿って色度が調整可能かどうかを検証する。これまで、クエン酸などの自然材料を用いた材料を中心に研究を進めたが、より構造制御性を高めるために、プリカーソル分子の種類を広げ、検討を進める。

Report

(1 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Transparent Hard Coatings with SiON-Encapsulated N-Doped Carbon Dots for Complete UV Blocking and White Light Emission2021

    • Author(s)
      Barman Barun Kumar、Handegard Orjan Sele、Hernandez-Pinilla David、Shinde Satish Laxman、Nagao Tadaaki
    • Journal Title

      ACS Applied Electronic Materials

      Volume: 3 Issue: 9 Pages: 3761-3773

    • DOI

      10.1021/acsaelm.1c00257

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Carbon Dot/Cellulose-Based Transparent Films for Efficient UV and High-Energy Blue Light Screening2021

    • Author(s)
      Barman Barun Kumar、Sele Handegard Orjan、Hashimoto Ayako、Nagao Tadaaki
    • Journal Title

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      Volume: 9 Issue: 29 Pages: 9879-9890

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.1c02791

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Direct White Light Emission (WLE) via Controlling the N doping Centres in Carbon Dots (CDs)2021

    • Author(s)
      Barman Barun Kumar、Nagao Tadaaki
    • Organizer
      Virtual MRS Spring Meeting & Exhibit, Materials Research Society, Warrendale,
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Controlling the N-doping Sites in Carbon Dot (CD) for Direct White Light Emission (WLE)2021

    • Author(s)
      Barman Barun Kumar、Nagao Tadaaki
    • Organizer
      - The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multi-colored Emissive Carbon Dots for White Light Emitters and Nanostructured Laser Systems2021

    • Author(s)
      バルマン クマール バルン, エルナンデス ピニヤ ダビーッド, ハンデガード オルヤン セレ, シンデ サティッシュ ラクスマン, 石井 智, 長尾 忠昭
    • Organizer
      MANA International Symposium 2021 jointly with ICYS
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Carbon Dots Based Transparent Film for Efficient UV and High-Energy Blue Light Screening.2021

    • Author(s)
      バルマン クマール バルン, ハンデガード オルヤン セレ, 長尾 忠昭.
    • Organizer
      2021 MRS fall Meeting & Exhibit. 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Engineering material losses of planar photonic structures for lasing, thermal emission and sensing applications.2021

    • Author(s)
      エルナンデス ピニヤ ダビーッド, バルマン クマール バルン, 石井 智, 古畑 直規, 長尾 忠昭
    • Organizer
      2021 Materials Research Society-Taiwan International Conference (2021 MRSTIC). 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Metal-free carbogenic quantum dots for laser generation2021

    • Author(s)
      エルナンデス ピニヤ ダビーッド, バルマン クマール バルン, 古畑 直規, 石井 智, 長尾 忠昭.
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会/The 82th JSAP Autumn Meeting 2021 . 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multi-colored Emissive Carbon Dots for Generation of Pure White Light2021

    • Author(s)
      バルマン クマール バルン, 長尾 忠昭
    • Organizer
      Clustering and Global Challenges (CGC2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 蛍光体、その製造方法、および、それを用いた発光装置2022

    • Inventor(s)
      B. K. Barman、K. Okano、T. Nagao
    • Industrial Property Rights Holder
      物質・材料研究機構
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-057828
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-11-16   Modified: 2024-12-25  

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