ガラスマトリクス中に閉じ込めた有機ポリシラン量子構造の光電物性と光デバイス応用

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450130
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 内藤 裕義 大阪府立大学, 工学研究科, 教授 (90172254)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松川 公洋 大阪市立工業研究所, プラスチック課, 研究主任 ; 金光 義彦 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創製研究科, 助教授 (30185954)
• Keywords: 有機ポリシラン / 有機-無機ハイブリッド薄膜 / ゾル-ゲル法 / 時間分解蛍光 / 励起子移動 / 光デバイス / 光誘起屈折率変化 / シリコンナノクリスタル

Research Abstract

本年度も昨年度に引き続き、ハイブリッド薄膜の光誘起現象と励起エネルギー(励起子)閉じこめ効果を明らかにし、光電デバイス実現に向けての基礎的知見を整理・蓄積することを目的とした。試料はゾルゲル法により作成した有機ポリシラン-シリカハイブリッド薄膜に加え、新規に有機ポリシラン-チタニアハイブリッド薄膜を作成した。様々なポリシラン含有量の有機ポリシラン-シリカハイブリッド薄膜における励起エネルギー移動を調べるために時間分解蛍光の温度依存性を測定した。その結果、蛍光減衰曲線は二つの指数関数減衰で表わされることが分かった。減衰曲線のポリシラン含有量依存性、温度依存性を測定することにより、励起子拡散係数の評価を行い、ポリシラン含有量が減少するにつれ、励起子拡散係数が低下することを見出した。これは、ハイブリッド化によりポリシランのinterchain相互作用が低下することに起因すると考えられる。有機ポリシラン-チタニアハイブリッド薄膜でも同様の測定を試みたが発光強度が小さく、時間分解蛍光スペクトルを測定することが困難であった。蛍光強度が微弱になるのは、チタニアとポリシラン間で電荷分離が起こっているためと考えられる。このため、有機ポリシラン-シリカハイブリッド薄膜は発光素子としての応用が、有機ポリシラン-チタニアハイブリッド薄膜は受光素子(太陽電池、光センサ)としての応用が期待できることが明らかになった。また、これらハイブリッド薄膜に強い紫外光を照射し屈折率の光誘起現象を明らかにした。室温、大気中で紫外光照射を行なうと有機ポリシラン-シリカハイブリッド薄膜、有機ポリシラン-チタニアハイブリッド薄膜ともポリシランの含有量が50wt%で屈折率は0.2程度減少した。このような巨大屈折率変化は前例のない現象である。この現象によりパターンナブルな光導波路や波長多重通信用狭帯域波長フィルタ、レーザキャビティ、偏光ミラー、偏光ビームスプリッタ、λ/4波長板等、光情報処理、光伝送に必要となる光学素子が作成可能となる。さらに、光電デバイス応用において重要となる光キャリア生成効率、キャリア輸送特性を向上させるため、シリコンナノクリスタルをハイブリッド化することを試みた。シリコンナノクリスタルを電気的に不活性な有機高分子に分散させたハイブリッド薄膜を作成しその光キャリア生成効率、キャリア輸送特性を調べたところ、特にキャリア輸送特性が優れていることを見出した。この様な有機無機ハイブリッド薄膜も光電物性を向上させる有効な手段であることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] S.Mimura, H.Naito, Y.Kanemitsu, K.Matsukawa, H.Inoue: "Optical properties of organic polysilane embedded in a silica matrix"Proceedings of 25th Int.Conf.Phys.Semicond.(Osaka 2000). 1691-1692 (2001)
• [Publications] H.Naito, A.Kobayashi, Y.Matsuura, K.Matsukawa, H.Inoue, Y.Kanemitsu: "Optical properties and photoinduced phenomena in (organic polysilane)-(silica) hybrid thin films"KIEE International Transactions of EA. 11C-S. 21-26 (2001)
• [Publications] H.Naito, S.Mimura, A.Kobayashi, Y.Matsuura, K.Matsukawa, et al.: "Energy transfer in (organic polysilane)-(silica matrix) hybrid thin films"Thin Solid Films. 393. 199-203 (2001)
• [Publications] Y.Ohsawa, H.Naito: "Photocarrier generation and bipolar transport in diphenoquinone doped polymethylphenylsilane thin films"J.Appl.Phys.. 91. 251-257 (2002)
• [Publications] M.Ando, H.Miyamoto, H.Naito, Y.Kanemitsu: "Photoelectric properties of printed thin films of silicon nanocrystals dispersed in polymer binder"J.Non-Cryst.Solids. (in press). (2002)
• [Publications] A.Kobayashi, H.Naito, Y.Matsuura, H.Matsukawa, H.Inoue, Y.Kanemitsu: "Time-resolved photoluminescence study of organic polysilane-silica hybrid thin films"J.Non-Cryst.Solids. (in press). (2002)