2016 Fiscal Year Annual Research Report
Hotcarrier and Multicarrier Transfer Dynamics and Charged Excitons in Semiconductor Nanocrystal Hybrid Systems
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15H03773
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
玉井 尚登 関西学院大学, 理工学部, 教授 (60163664)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 半導体ナノ微粒子 / 荷電励起子 / ホットキャリア / マルチキャリア / 過渡吸収分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1．CdSeナノプレート（NPLs）に2 nm以上のプラズモン増強電場を持つAuやPtナノ微粒子の接合と接合数を制御する方法論を研究した。前駆体濃度や温度をパラメータとし２段合成も試みたが，サイズの大きなナノ粒子接合系を安定に合成する事は難しく，ハイブリッド系が凝集を起こした。しかし，2 nm程度のナノ微粒子の接合数制御は可能となった。また，CdSe 量子ドット（QDs） にもAuナノ微粒子を接合したハイブリッド系を合成した。
2．ホットキャリア移動およびマルチキャリア移動反応をフェムト秒過渡吸収分光の状態選択励起とその励起光強度依存性により解析した。Au, Pt ナノ微粒子を接合したCdSe NPLでは，高励起状態からの緩和が非常に早く，ホット電子（キャリア）移動が起こっていない事がわかった。Pt－CdSe NPLsハイブリッド系では，バンド端より長波長にあるPtナノ微粒子由来の励起でも，バンド端励起と同様なCdSe NPLsからPtナノ微粒子への電子移動が観測され，強いカップリングが存在する事が明らかになった。CdSe QDsに金ナノ微粒子（直径1.3，2.0 nm ）を接合した系では，どちらも著しい発光消光が観測された。フェムト秒状態選択励起およびブリーチ収率の解析から，（1）Au－CdSe QDs系では1P(e)からホット電子移動が起こっている事，（2）バンド端1S(e)からは，サブピコ秒の電子移動以外にパルス幅（~60 fs）よりも速い超高速電子移動が存在している事，を明らかにした。
3．CdSe QDsの光化学電子ドーピングでは，初期の発光増強が表面欠陥サイトの電子占有によるものである事を見出した。CdSe NPLsでは，光化学電子ドーピングによる吸収・発光スペクトル変化がNPLsの構造変化によるものではなく，荷電粒子による電場効果が寄与していることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
CdSe NPLsに2 nm以上の大きなサイズのプラズモン増強場を持つAuおよびPt NPsを接合する条件探索を行ったが，粒子が大きいと系が不安定で沈殿が生じた。しかし，接合ナノ微粒子の数を増加させる条件は見出すことができ，キャリア移動の粒子数依存性が解析可能となった。また，Ptナノ微粒子－CdSe NPLs ハイブリッド系では，二つの粒子間で非常に強いカップリングが起きている事，1次元量子閉じ込め系ではホットキャリア移動が起こらない事，3次元量子閉じ込めのCdSe QDsではホットキャリア移動が起こる事を実験的に初めて明らかにした。
さらに，光化学電子ドーピングでは，CdSe NPLsで観測されたドープ量に依存した吸収・発光スペクトル変化がNPLsの形状変化によるものではなく，荷電粒子による電場効果であることを見出すなど，おおむね順調に研究が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
1．半導体ナノ微粒子にAu やPtの貴金属ナノ微粒子を接合した半導体ナノ微粒子複合体を用いて，時間分解分光の温度依存性実験を行い，キャリア移動メカニズムを探る。低温用クライオスタットと適切な保護剤や高分子（PMMA等）を用いる。
CdSe NPLsでは，ホットキャリア移動が起こらない事を解明したが，最近の実験で溶媒によってはホットキャリア緩和過程が非常に長くなることが明らかになった。これは溶媒を変える事によりCdSe NPLs複合体系の高励起状態からホットキャリア移動が観測できる可能性を示しており，キャリア移動ダイナミクスに及ぼす溶媒効果も解明する。
2．ホットキャリア・マルチキャリア移動に及ぼすシェルの効果を解明するために，CdSをシェルに用いてコロイド合成により次元性を制御したコア－シェル型ナノ微粒子を合成する。更に貴金属ナノ微粒子を接合したコア－シェル型半導体ナノ微粒子複合体を構築する。半導体ナノ微粒子から貴金属ナノ微粒子へのキャリア移動ダイナミクスに関し，状態選択励起を用いたフェムト秒過渡吸収分光により，シェルやシェルの厚みとその量子閉じ込めの次元性がキャリア移動に及ぼす効果を解明する。
3．CdSe/CdSコア－シェル型ナノ微粒子系を用いて光化学電子ドーピングの実験を行い，コアのみのナノ微粒子系と比較し荷電励起子の光特性に及ぼすシェル効果を解明する。さらに時間分解分光により，荷電励起子の光特性や結合エネルギー，量子閉じ込めの次元性とシェルとの関係を明らかにする。
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