光圧による局所濃縮を利用したハロゲン混合ペロブスカイト単一ナノ結晶形成機構の解明

• Project/Area Number: 20J00974
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 岡本 拓也 北海道大学, 電子科学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ペロブスカイト / レーザー / ハロゲンアニオン / 蛍光寿命 / バルク結晶 / ナノ結晶 / 顕微分光 / 欠陥

Outline of Research at the Start

本研究は、次世代発光材料である単一ペロブスカイトナノ結晶の形成機構、および結晶間または単一結晶－色素分子間の反応機構を解明することを目的としている。光圧による局所濃縮および逆温度再結晶法によって結晶を析出し、顕微分光法によって結晶間のハロゲン交換反応や単一結晶－色素分子間のエネルギー移動の機構、そしてnmオーダーの極小反応場における単一ナノ結晶の形成機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、次世代発光材料である単一ペロブスカイトナノ結晶の形成機構、および結晶間の相互作用や反応機構を解明することを目的としている。本年度の研究では、主に光圧によるヘテロ接合型ペロブスカイト結晶の形成および結晶内のキャリア輸送の検討と、二座配位子を用いたペロブスカイト超結晶の形成および集積構造と光物性の関係の解明について研究活動を行った。まず、臭化物ペロブスカイトのナノ結晶薄膜およびマイクロ結晶に対して、ヨウ化物前駆体存在下にて連続波レーザーの光圧による局所的なハロゲン交換を行い、ヘテロ接合型ペロブスカイトを形成した。形成したヘテロ接合型ペロブスカイト結晶の蛍光寿命におけるアニオン交換位置からの距離依存性について評価を行い、光励起により生成されたキャリアが結晶中のBrリッチの領域からIリッチの領域へと効率よく輸送、そして捕捉されることを見出した。この研究に基づいた論文はWiley-VCHのAngewandte Chemie International Editionに令和4年11月に掲載された。次に、ナノ結晶を保護する有機リガンドを二座配位子と交換することでナノ結晶の集積構造体（超結晶）を形成し、超結晶中の結晶間の励起子相互作用について検討した。超結晶の構造および光物性について分散したナノ結晶および原料ナノ結晶で形成した薄膜と比較を行った。超結晶は単一ナノ結晶に比べて長い蛍光波長および寿命を示した。さらに、ナノ結晶薄膜では非ジェミネート性非放射再結合のため励起光強度が増加するにつれ蛍光寿命が低下したのに対し、超結晶では蛍光寿命が励起光強度に依存せず一定であった。形成した超結晶における蛍光波長のレッドシフトおよび蛍光寿命の増加は、ナノ結晶間の電子的カップリングおよび励起子の非局在化によるものであると結論した。なお、この研究に基づいた論文を投稿準備中である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IACS(インド)
• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Hyderabad(インド)
• [Int'l Joint Research] University of Rostock(ドイツ)
• [Journal Article] Halide Perovskite Single Crystals and Nanocrystal Films as Electron Donor‐Acceptor Heterojunctions (2022)
  • Author(s): Shahjahan M. D.、Okamoto Takuya、Chouhan Lata、Sachith Bhagyashree Mahesha、Pradhan Narayan、Misawa Hiroaki、Biju Vasudevanpillai
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/anie.202215947
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechano-optical Modulation of Excitons and Carrier Recombination in Self-Assembled Halide Perovskite Quantum Dots (2022)
  • Author(s): Z. Zhang, S. Ghimire, T. Okamoto, B. M. Sachith, J. Sobhanan, C. Subrahmanyam, V. Biju
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 16 Issue: 1 Pages: 160-168
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c04944
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shape-Dependent Kinetics of Halide Vacancy Filling in Organolead Halide Perovskites (2021)
  • Author(s): Okamoto, T., Shahjahan, M., Biju, V.
  • Journal Title: Advanced Optical Materials Volume: 9 Issue: 19 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1002/adom.202100355
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Long-Range Interfacial Charge Carrier Trapping in Halide Perovskite-C60 and Halide Perovskite-TiO2 Donor-Acceptor Films (2021)
  • Author(s): Bhagyashree, M. S., Okamoto, T., Ghimire, S., Umeyama, T., Takano, Y., Imahori, H., Biju, V.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 12 Issue: 35 Pages: 8644-8651
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c01909
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heterojunction Perovskite Microrods Prepared by Remote‐Controlled Vacancy Filling and Halide Exchange (2021)
  • Author(s): Shahjahan Md、Yuyama Ken‐ichi、Okamoto Takuya、Biju Vasudevanpillai
  • Journal Title: Advanced Materials Technologies Volume: 6 Issue: 2 Pages: 2000934-2000934
  • DOI: 10.1002/admt.202000934
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 二座配位子により形成したハロゲン化鉛ペロブスカイト超結晶の構造と光物性 (2023)
  • Author(s): 岡本拓也, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会(2023)
• [Presentation] Mechanical Modulation of Photoluminescence in Self-Assembled Lead Halide Perovskite Quantum Dots (2022)
  • Author(s): Takuya OKAMOTO, Zhang ZHIJING, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 2022年光化学討論会
• [Presentation] Roles of Additives and Solvent in the Formation of Homogeneous MAPbBr3 Microcrystals (2022)
  • Author(s): Dong Zhang, Takuya Okamoto, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: The 23rd RIES-Hokudai International Symposium
• [Presentation] Crystal Size-Dependent Photoluminescence of Methylammonium Lead Bromide Perovskite (2022)
  • Author(s): Lei Duan, Takuya Okamoto, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: The 23rd RIES-Hokudai International Symposium
• [Presentation] Controlling Excitonic Recombination in Halide Perovskite Assemblies using Polymer Microenvironment (2022)
  • Author(s): Most Farida Khatun, Takuya Okamoto, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: The 23rd RIES-Hokudai International Symposium
• [Presentation] 機械的刺激による自己組織化ハロゲン化鉛ペロブスカイト量子ドットの発光挙動制御 (2022)
  • Author(s): 岡本 拓也、Zhijing Zhang、Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
• [Presentation] Transporting and transferring electrons across perovskite-acceptor interfaces. (2022)
  • Author(s): Sachith Bhagyashree Mahesha, Takuya Okamoto, Ghimire Sushant, Tomokazu Umeyama, Yuta Takano, Hiroshi Imahori, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
• [Presentation] Optimizing single-crystal perovskite sizes, shapes, and their roles on electroluminescence blinking (2022)
  • Author(s): Dong Zhang, Takuya Okamoto, VasudevanPillai Biju
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
• [Presentation] A Microspectroscopic Evaluation of Shape-Dependent Halide Vacancy Filling Kinetics in Lead Halide Perovskites (2021)
  • Author(s): Takuya OKAMOTO, Muhammad SHAHJAHAN, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 2021年web光化学討論会
• [Presentation] Long-Range Trapping of Photogenerated Electrons in Halide Perovskite Films (2021)
  • Author(s): Sachith Bhagyashree MAHESHA1, Sushant GHIMIRE, Takuya OKAMOTO, Tomokazu UMEYAMA, Yuta TAKANO, Hiroshi IMAHORI, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 2021年web光化学討論会
• [Presentation] Mechanically Modulated Emission from Perovskite Quantum Dot Assemblies (2021)
  • Author(s): Zhijing ZHANG, Takuya OKAMOTO, Vasdevan Pillai BIJU
  • Organizer: 2021年web光化学討論会
• [Presentation] ハロゲン化鉛ペロブスカイト結晶におけるハロゲン欠陥回復 (2021)
  • Author(s): 岡本 拓也, Muhammad SHAHJAHAN, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 第7回北海道大学部局横断シンポジウム
• [Presentation] An Evaluation of Shape-dependent Kinetics of Defect Filling in Organolead Halide Perovskites (2021)
  • Author(s): Takuya OKAMOTO, Muhammad SHAHJAHAN, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: 11th Asian and Oceanian Photochemistry Conference (APC2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Microspectroscopic Evaluation of Halide Vacancy Filling Kinetics in Organolead Halide Perovskite Microcrystals (2021)
  • Author(s): Takuya OKAMOTO, Muhammad SHAHJAHAN, Vasudevanpillai BIJU
  • Organizer: the 22nd RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Trapping and Accumulation of Photogenerated Charge Carriers in Bandgap Engineered Lead Halide Perovskite Heterostructures (2021)
  • Author(s): Md Shahjahan, Takuya Okamoto, B M Sacith, Lata Chouhan, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: the 22nd RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tuning the Structure and Emission Color of Self-Assembled Halide Perovskite Nanocrystals by Mechanical Distortions (2021)
  • Author(s): Zhijing Zhang, Takuya Okamoto, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: the 22nd RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Homogenous size and shape MAPbBr3 microcrystal preparation and optical properties investigation (2021)
  • Author(s): Dong Zhang, Takuya Okamoto, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: the 22nd RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハロゲン化鉛ペロブスカイトにおける結晶形状に依存したハロゲン欠陥回復速度の評価 (2021)
  • Author(s): 岡本拓也, Md. Shahjahan, Bhagya Lakshmi S. B., Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会(2021)
• [Presentation] An evaluation of shape-dependent defect distribution in organolead halide perovskites (2020)
  • Author(s): 岡本拓也, Md. Shahjahan, Bhagya Lakshmi S. B., Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] An Evaluation of Shape-dependent Kinetics of Defect Filling in Organolead Halide Perovskites (2020)
  • Author(s): Takuya Okamoto, Md. Shahjahan, Bhagya Lakshmi S. B., Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: The 21th RIES-HOKUDAI INTERNATIONAL SYMPOSIUM on 間
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Defect-dependent amplified emission from a lead halide perovskite (2020)
  • Author(s): Feijun Xu, Takuya Okamoto, Md Shahjahan, Vasudevanpillai Biju
  • Organizer: The 21th RIES-HOKUDAI INTERNATIONAL SYMPOSIUM on 間
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 北海道大学 分子フォトニクス研究分野 ホームページ
  • URL: http://bijulab.main.jp/en/
• [Remarks] V.P.Biju Laboratory
  • URL: http://bijulab.main.jp/en/
• [Patent(Industrial Property Rights)] ＰＱＤを含むフィルムの発光波長を短波長側に変化させる方法、並びに、複数のＰＱＤの凝集体及びその製造方法 (2022)
  • Inventor(s): ビジュ ヴァスデヴァン ピライ, 岡本 拓也, 他５名
  • Industrial Property Rights Holder: ビジュ ヴァスデヴァン ピライ, 岡本 拓也, 他５名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022