2018 Fiscal Year Annual Research Report
光触媒におけるバンドアラインメントの究明と半導体物理的設計指針の構築
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18H03772
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杉山 正和 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90323534)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 正寛 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (40805769)
藤井 克司 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (80444016)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 半導体物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GaN単結晶光アノードを検証材料として，表面準位や溶液中のレドックス剤がOCPに与える影響を精査した．まず，弱励起から強励起までの幅広い光照射条件下での半導体光電極中のフェルミエネルギーの振る舞いを解析するため，波長がGaN吸収領域にあるHe-Cdレーザ（325 nm）を用いて，照射光強度を8桁程度変化させた条件下での光誘起OCP測定を可能にした．
まず，シリコン上に結晶成長した単結晶GaNについて光誘起OCPの光強度依存性を解析した結果，強励起領域ではOCPが光強度の対数に比例する関係が明確に観察された．これは，結晶性の良い太陽電池の開放電圧に関してよく観察される現象で，光励起キャリアが半導体中の空乏層を狭窄してバンド曲がりを減少させることに対応していると考えられる．すなわち，高結晶品位の半導体光電極では，太陽電池と同様の光起電力生成が行われていることが強く示唆された．一方，暗条件ではOCPが酸素生成の酸化還元電位にピニングされており，次いで弱励起領域ではOCPと光強度の間に変曲点がみられ，その電位はO2-/OH-の酸化還元電位に近いことがわかった．一方，結晶性の悪いGaNを模擬するために，上述の単結晶GaN表面にArプラズマ照射し，結晶欠陥を導入したGaN光電極に対しても同様な解析を行った．その結果，プラズマ未照射のGaNとは明確に異なるOCPの光強度依存性が観察された．弱励起条件でのOCPがGaN結晶の窒素欠陥に起因すると思われるバンド間準位にピニングされており，光強度を6桁程度変化させてもOCPはほとんど変化しなかった．また，最大光強度で照射した際のOCPの値は，プラズマ未照射のGaNに比べて0.6 eV程度正側にシフトしており，プラズマ照射に起因する表面の欠陥および酸化層の生成により半導体電極／電解液界面の電気二重層の電位差が変化したものと考えられる．
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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
当初の実験を遂行するなかで，電解液中の溶存気体を精密に制御する必要性に気づき，構築予定であった測定系の設計を見直したため解析に遅延が生じた．しかし，その後完成した装置での解析は順調に進み，提案時に予期していなかった，電解液中の酸化還元系の電極電位が半導体中の欠陥準位と同様にフェルミエネルギーのピニング準位として働くことが見いだされ，半導体／電解液界面のバンドアラインメントに対する理解が大きく進展した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに構築した解析系を活用して，GaN表面への徐触媒導入の効果を解析するとともに，GaN以外の単結晶半導体基板を光電極として用いた解析も進めて現象の統一的な理解を目指す．
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