2018 Fiscal Year Annual Research Report
２次元無機有機ペロブスカイト材料によるハイブリッド特有の光学応答
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16H03890
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
江馬 一弘 上智大学, 理工学部, 教授 (40194021)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江良 正直 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (30191927)
森 竜雄 愛知工業大学, 工学部, 教授 (40230073)
高田 徳幸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (70357359)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ハイブリッド材料 / 励起子 / ポラリトン / マイクロキャビティ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，無機と有機が複合したペロブスカイト材料の２次元構造を利用して，ハイブリッド特有の光学応答を顕著に出現させ，デバイス応用への基礎を築くことである．具体的には，申請者らが長年研究してきたこの材料系に関する光物性の蓄積を生かし，室温での発光効率の増大，マイクロキャビティによるポラリトンレーザー，ハイブリッド励起子による非線形効果の増大，などを目指す．これらはすべて，「材料組み合わせの豊富さ」や「無機と有機の結合」など
のハイブリッドの特徴を出すことで達成させる．
具体的なデバイスの完成まで実施するのではなく，ハイブリッドの特徴が強く現れた光学応答を実現させ，この材料系が本来持つ能力を十分に引き出すことを目的とする．これにより，注目されている太陽電池応用だけでなく，発光デバイス・非線形デバイスなどへの応用の道を切り開く．
2017年度までに，2次元ペロブスカイト材料を含むマイクロキャビティの作製に成功し，キャビティ中の光とペロブスカイト中の励起子との強結合を確認した．結合の大きさを表す真空ラビ分裂エネルギーは160 meVと見積もられ，通常の無機半導体のマイクロキャビティに比べて，1桁大きいものが得られた．さらに，励起密度を上げることで，キャビティポラリトンの基底状態からの発光が強くなることも確認できた．2018年度は，この励起密度依存性を詳細に調べ，ボース凝縮を目指していたが，実験室の改修などの制約があり，十分な成果を挙げることはできなかった．
しかし，マイクロキャビティに関しては，ポラリトン同士の相互作用も確認され，通常の2D材料に関しては，ハイパボリックディスパージョンという新たな展開が始まったため，2019年度に大きな発展が期待できる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究分担者の高田によるマイクロキャビティ構造作製が成功し，これまでに，室温において，真空ラビ分裂の大きさが約160 meV という無機半導体では得られない巨大な値が得られてる．新たに整備した蒸着装置が順調に稼働し，安定性に優れたマイクロキャビティが実現されている．さらに，励起密度の上昇とともに，ポラリトンが最低エネルギー状態に凝縮していく傾向もみられた．このように，本研究のメーンテーマであるマイクロキャビティについては，これまで，おおむね順調に進展してきたが，2018年度に大きな進展が見られなかったため，進捗状況としては「やや遅れている」と判断せざるを得ない．
非線形光学現象についてのテーマには着手できていないが，2D材料の光学特性に関しては，新たな論文を発表するなど，着実に研究は進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
1.無機有機ハイブリッド2次元構造の発光メカニズムの確定
昨年度までに引き続き，多重量子井戸構造でのポラリトン特性の解明に取り組むとともに，ハイパボリックディスパージョンの効果の検証も行う．ハイパボリックディスパージョンとは，方向によって誘電率が正と負の両方を取る場合に現れる効果であり，無機有機ハイブリッドの励起子共鳴では，その効果が現れている可能性があることが指摘された．これについて，2019年度に検証を進める．また，この材料系は，低温から室温の間で，発光強度が最大になる温度が存在し，その最大発光強度に比べて，室温での発光が１～２桁落ちる点が問題となる．江良が見つけたカチオン混合法により，その問題点を解決する．このように，ハイブリッド材料の特徴である組み合わせの多様性を生かし，さらに増強機構を明らかにすれば，室温においても最大発光強度に近い効率を達成可能と考えられる．
2．室温で動作するポラリトンレーザーに向けた研究
高田によるマイクロキャビティ構造作製が成功し，2017年度までに，室温において，真空ラビ分裂の大きさが約160 meV という無機半導体では得られない巨大な値が得られた．2018年度は，大きな進展は見られなかったが，2019年度には，より詳細な研究を発展させる計画である．具体的には，ポラリトン同士の相互作用の研究を系統的に行い，キャビティポラリトンの物理的な特性の解明も進めていく．また，この素子では，ポラリトン形成とエネルギー供給機能が分離されており，このようなハイブリッドの特徴を生かして様々な有機材料を組み合わせながら，マイクロキャビティとポラリトンの強結合の実現を目指す．
以上のように，安定な強結合が達成されたので，ポラリトン凝縮の実現に向けて，励起方法や素子構造の改良を行い，室温でのポラリトンレーザーの実現を目指していく．
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