2016 Fiscal Year Research-status Report
TPCO低次元結晶キャビティを用いた有機ポラリトンレーザー
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15K13773
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
柳 久雄 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (00220179)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ポラリトンレーザー / 有機結晶 / 励起子ポラリトン / 有機レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(チオフェン/フェニレン)コオリゴマー（TPCO）の低次元結晶を光ポンプしたときに観測される時間遅れを伴ったパルス型遅延発光の起源として、半導体量子井戸を分布ブラッグ反射（DBR）ミラーで挟んだマイクロキャビティにおいて観測される励起子ポラリトンとの類似性が示唆されており、低励起閾値で発振するポラリトンレージングへの展開が期待されている。昨年度は、シアノ置換したBP1T-CNをDBRミラー上に真空蒸着し、得られた膜を圧着溶融することにより、BP1T-CN結晶を活性層とするマイクロキャビティを作製した。その発光スペクトルの角度依存性を測定した結果、励起子ポラリトンの生成が確認された。そこで今年度は、BP1T-CNの骨格であるBP1T分子とは構造対称性の異なるBP2Tの両末端にシアノ基を置換したBP2T-CNを用いて同様の実験を行い、以下の成果を得た。
(1) BP2T-CN結晶キャビティの作製
BP2T-CNの薄板状結晶を気相成長法により作製し、その結晶をDBRミラー上に固定することによりBP2T-CN結晶を活性層とする片面DBRマイクロキャビティを作製した。BP1T-CN結晶と同様にBP2T-CN結晶中においても分子軸が寝た配向を取るため、面発光型マイクロキャビティの作製に有利であることを見出した。
(2) 励起子ポラリトンの実証
(1)で作製したBP2T-CN結晶を用いた面発光型DBRキャビティを用いて、発光スペクトルの角度依存性を測定した結果、エネルギー角度分散曲線に分裂が生じることを見出した。得られた分散曲線を、5つのキャビティフォトンモードと、励起子のエネルギー、光子-励起子結合エネルギーを各パラメータとした現象論的ハミルトニアンを用いてフィッティングした結果、約90 meVのラビ分裂エネルギ－をもつキャビティポラリトンが生成していることを明らかにした。
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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
昨年度の研究により、シアノ置換したBP1T-CNが結晶中で平行配向を取ることによりDBRミラーを用いたマイクロキャビティに適した面発光が得られ、励起子ポラリトンの生成が可能であることが明らかになった。そこで今年度は、BP1T-CNとは構造対称性の異なるBP2T-CNを用いて同様の実験を行った。BP2T-CNはBP1T-CNで行った圧着溶融成長では良質の結晶が得られなかったため、気相成長法により結晶作製を行った結果、BP1T-CN結晶と同様に分子軸が寝た配向をとるBP2T-CN結晶が得られ、面発光型のマイクロキャビティを作製することができた。BP1T-CNが青色の発光を示すのに対して、BP2T-CNはチオフェン環が一つ増えてπ共役長が伸びるため緑色の発光を示し、発光波長の選択性が広がった。このBP2T-CN結晶を活性層とする面発光型片面DBRマイクロキャビティを用いて角度分解発光測定を行った結果、BP1T-CN結晶を用いたマイクロキャビティの場合と同様に、発光スペクトルの角度分散において曲率の異なる2組の分散曲線の間に反交差分裂が現れた。この分散特性を、2つのp-偏光、3つのs-偏光をもつキャビティフォトンモードと、一つの励起子を含めた現象論的6x6ハミルトニアンを用いてフィッティングを行った結果、反交差分裂を再現でき約90 meVのラビ分裂エネルギーが得られたことから、目的とした励起子ポラリトンの生成が実証され、研究は計画通りに進捗した言える。ただし、当初予定していた電流励起下でのポラリトンレーザーに向けたp/n接合型の有機電界発光素子（OLED）の作製には至らなかったことから、引き続き研究を行う必要がある。また、TPCO結晶をより低次元化したニードル結晶の作製にも成功しており、そのポラリトンレージングへの展開も検討する必要があることから、1年間研究期間の延長を申請した。
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| Strategy for Future Research Activity |
将来的に電流励起によるポラリトンレージングを目指すにはp/n接合型の有機電界発光素子（OLED）を作製する必要がある。BP1T-CNやBP2T-CNはシアノ基の強い電子吸引性によりHOMO/LUMOエネルギーが低下するためn型の半導体性をもつ。一方、無置換体のBP1TやBP2TはHOMO/LUMOエネルギー準位が高いためｐ型の半導体性をもつため、これらを組み合わせて積層することによりTPCO誘導体のみでp/n接合型のOLEDを作製することができる。すでにこれまでに、BP2TとBP2T-CNの真空蒸着膜を積層することにより電界発光が得られることを確認している。そこで次年度は、BP1T/BP1T-CNおよびBP2T/BP2T-CN積層膜を用いたOLEDにDBRミラーを導入したマイクロキャビティ型のOLEDを作製する。そのために、下部電極であるITOガラス基板上にDBRをスパッタリングした基板上にTPCOのp/n積層膜を形成し、さらにその上にITO膜とDBRミラーを形成する。この上部ITO/DBRをスパッタリングする際に、TPCO層へのダメージを軽減する条件を見出す必要がある。また、p/n接合層として、蒸着膜に代えてそれぞれp型、n型TPCOの薄板状結晶を重ねた活性層についても同様のマイクロキャビティ型OLEDの作製を試みる。得られたOLEDの電流-電圧特性を測定するとともに、電界発光スペクトルの角度分解測定を行い、電流励起下でのポラリトンレーザーの可能性を探る。
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| Causes of Carryover |
今年度計画していたDBRミラー上のBP2T-CN結晶を用いたマイクロキャビティについては、計画通り研究が進捗し、論文発表も済ませた。そこでより低次元のマイクロキャビティ構造として、BP2T-CNマイクロニードル結晶を作製してそのレーザー発振が観測されたことから、その追加実験を行う必要が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
BP2T-CNマイクロニードル結晶を用いた実験のための消耗品費(試薬、基板類)と、学会発表旅費および論文投稿料として使用する。
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