2018 Fiscal Year Annual Research Report
Optically excited hot carrier engineering with transition metal nitrides
| Project/Area Number |
17H04801
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
石井 智 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (80704725)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 光励起電荷 / 遷移金億窒化物 / 表面プラズモン / 表面電位 / ケルビンプローブ顕微鏡 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で取り組む遷移金属窒化物を用いたホットキャリアエンジニアリングのうち、光励起によるプラズモエレクトリック効果の検証については、昨年度に引き続き行った。本年度は、窒化チタンナノアレイに加えて窒化ジルコニウムナノアレイも作製した。その理由は、遷移金属窒化物の中で、窒化ジルコニウムは比較的強いプラズモン共鳴を示すためである。窒化ジルコニウムナノアレイは電子線リソグラフィーとドライエッチングによって作製した。本予算で購入したケルビンプローブ顕微鏡に光照射できる機構を追加した独自の装置を使い、光照射前後の表面電位の変化を測定した。その結果、窒化ジルコニウの試料においてプラズモエレクトリック効果を観測することに成功した。採択者の知る範囲では、遷移金属窒化物を含めた金属以外の材料でプラズモエレクトリック効果が観測されたのは初めてである。
光励起電荷を使った光熱変換のテーマでは、窒化チタン複合材料を使った屋外での太陽熱蒸留の実証を行った。そのためにクラウドファンディングで資金を調達し、屋外で水蒸気を回収する透明な容器を作製した。その中に、2年度前に本研究で開発した窒化チタン複合材料を入れて、屋外での太陽熱蒸留の効率を検証した。その結果室内実験より5%ほど高い50%の変換効率を得た。その理由として、屋上では屋根が熱くなって容器底面を温め室内より蒸発が促進された可能性がある。いずれにせよ、開発した材料が実環境でも本来の性能を発揮できることが分かった。昨年度には今回用いたものよりも効率の高い材料が開発されており、それを大面積化できればより高い効率を狙える見込みが付いた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光電変換に関しては、プラズモエレクトリック効果に加え、ホットキャリア励起を観測することにも成功しつつある。これらはどちらも初めての観測であり、当初より時間はかかったものの、分野にとって意義のある成果を出せつつあると考えている。
光電変換については、屋外で太陽熱蒸留の実証が行いその性能を確認できたことは大きな成果であると考える。実験室でよい性能を出せても実環境ではその能力を発揮できない材料が多い中で、本材料は屋外でも性能が落ちなかった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
光電変換に関しては、昨年度後半から取り組み始めている遷移金属窒化物からの光励起ホットキャリアの局所的な観測を用いて行う。材料としては、2019年度も使用した窒化ジルコニウムを使い、窒化ジルコニウムのナノ構造を半導体基板の上に作製して、ケルビンプローブ顕微鏡を使い、構造に由来したホットエレクトロンを観測することを目指す。結果をまとめる段階では、先に成功しているプラズモエレクトリック効果との比較を行いながら、光励起による遷移金属窒化物ナノ構造のキャリア素過程に迫る。
光熱変換に関しては、改めて、ナノ構造体で光吸収から熱になり主に熱伝導によって散逸するプロセスを詳細に解析する。ナノ構造としては、アスペクト比の高い構造を検討する。その理由は、高アスペクト構造は実効的に異方的な熱伝達を示し、特異な熱伝導が期待できるからである。実験では、レーザー照射によって試料加熱し、顕微ラマン分光によって表面温度を見積もる。並行して、有限要素法による伝熱解析も行い、実験結果の検証と解析モデルの構築を進める。
|
