2021 Fiscal Year Annual Research Report
光圧による局所濃縮を利用したハロゲン混合ペロブスカイト単一ナノ結晶形成機構の解明
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20J00974
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
岡本 拓也 北海道大学, 電子科学研究所, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト / レーザー / ハロゲンアニオン / 欠陥 / 蛍光寿命 / バルク結晶 / ナノ結晶 / 顕微分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、次世代発光材料である単一ペロブスカイトナノ結晶の形成機構、および結晶間の相互作用や反応機構を解明することを目的としている。本年度の研究では、主にペロブスカイトマイクロ結晶における欠陥回復速度の結晶形状依存性の解明と、自己組織化ペロブスカイトナノ結晶における結晶間相互作用の解明について研究活動を行った。まず、ハロゲン欠陥の少ないペロブスカイト結晶の形成に向け、結晶へのハロゲン化物の添加および光照射による結晶のハロゲン欠陥回復と、ハロゲン欠陥回復速度の結晶形状依存性について検討した。ペロブスカイトマイクロ結晶におけるハロゲン欠陥の回復速度および蛍光寿命の増加量は結晶のアスペクト比ではなく、比表面積の大きさに依存するということを明らかにした。この研究に基づいた論文はWiley-VCHのAdvanced Optical Materialsに令和3年6月に掲載された。次に、自己組織化ペロブスカイトナノ結晶における結晶間相互作用の解明に向けて、青色発光を示すペロブスカイト量子ドットを集積することで緑色発光を示す自己組織化ナノ結晶を形成した。緑色発光を示す自己組織化ナノ結晶の薄膜に機械的刺激を加えることで、薄膜は再び青色発光を示すことが分かった。機械的刺激を加える前後のナノ結晶および量子ドットの構造と発光特性について検討を行い、機械的刺激によってペロブスカイト量子ドットの集合状態が変化し、励起子閉じ込めおよび誘電遮蔽の強さに依存してバンドギャップエネルギーおよびキャリア拡散距離が変化することが明らかとなった。この研究に基づいた論文はアメリカ化学会のACS NANOに令和4年1月に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は、次世代発光材料である単一ペロブスカイトナノ結晶の形成機構、および結晶間の相互作用や反応機構を解明することを目的としている。まず、ペロブスカイト結晶におけるハロゲン欠陥の回復反応を時間分解蛍光顕微鏡によって追跡し、ハロゲン欠陥の回復速度および蛍光寿命の増加量は結晶のアスペクト比ではなく、比表面積の大きさに依存することを明らかにした。次に、結晶間の相互作用について、光圧によるヘテロ接合型ペロブスカイトの形成および光学特性の評価と、自己組織化ペロブスカイトナノ結晶における結晶間相互作用の解明について研究活動を行った。前年度のロッド状マイクロ結晶に続き、連続波レーザーの光圧を利用したヨウ素アニオン種の局所濃縮によって臭化鉛ペロブスカイトのプレート状マイクロ結晶およびナノ結晶薄膜のハロゲンアニオン交換を部分的に行い、ヘテロ接合型ペロブスカイト結晶の形成にそれぞれ成功した。また、異種ナノ結晶存在下でのハロゲンアニオンおよびペロブスカイトナノ結晶の濃縮条件について最適化することができた。さらに、ペロブスカイト量子ドットの自己組織化と機械的刺激による分解によって自己組織化ペロブスカイトナノ結晶の発光波長および発光寿命が変化することを見出した。以上の理由により、当初の計画以上に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、「ナノ結晶間におけるハロゲン交換反応および励起子相互作用の距離依存性の解明」、そして「単一ペロブスカイトナノ結晶の形成機構の解明」を達成するため、次の三つの研究を行う。第一に、連続波レーザーの光圧によって形成したヘテロ接合型ハロゲン化鉛ペロブスカイトマイクロ結晶の蛍光寿命におけるアニオン交換位置からの距離依存性について評価を行い、ヘテロ接合構造におけるキャリアの輸送および捕捉について得られた成果に基づいた論文を投稿する。第二に、ナノ結晶を保護する有機リガンドの交換により、ナノ結晶同士が有機リガンドの長さだけ離れている集積構造を形成し、結晶間の励起子相互作用について検討する。有機リガンドの構造や分子長の違い、外部刺激による集積構造の変化などによってナノ結晶間の相互作用を制御し、光学特性の評価を行う。得られた成果に基づいた論文を投稿する。第三に、連続波レーザー光とラゲール・ガウスビームを導入したダブルビーム照射系にて光強度およびビーム径の最適化により単一結晶析出場を形成する。単一ナノ結晶形成過程の追跡を行い、ナノ結晶を構成するハロゲンの種類および粒子径による結晶形成までの誘導期間やナノ結晶の成長機構を解明する。ハロゲン化鉛ペロブスカイトのバルク結晶ならびにナノ結晶の形態や元素組成、そして結晶構造の評価は北海道大学ナノテクノロジープラットフォーム/オープンファシリティの共用機器を利用する。
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