2021 Fiscal Year Research-status Report
Pressure-induced fabrication of 3D quantum dot superlattices and development of novel optical functions based on interdot cooperative phenomenon
| Project/Area Number |
20K05256
|
|---|
| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
濱中 泰 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20280703)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葛谷 俊博 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00424945)
武田 圭生 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (70352060)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 量子ドット / 超格子 / 量子共鳴 / 超蛍光 / 協力現象 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
量子ドットが３次元規則配列した量子ドット超格子では、ドット同士が互いに協力し合い、特異な電気/光学特性が発現することが予測されており、応用上も興味深い。しかし、このような精密な構造を作製する技術的難易度は高い。本研究では、量子ドットを精密に配列させる新規な方法を開発して量子ドット間の協力的な相互作用の特徴を解明し、新しい光機能を開拓することを目指している。
本研究の当初の目標は、量子ドットが最密高度周期的に配列した３次元超格子構造を作製することである。その方法の一つとして、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を使った高圧発生技術を応用している。令和３年度は、DACを使った量子ドットの分光実験を行うと同時に、放射光施設のマシンタイムを確保し、分光実験と同じ高圧条件でのX線構造解析を実施した。その結果、量子ドットに、性能を低下させる格子欠陥が生成せず、結晶構造の変化も生じない圧力範囲を決定することができた。
また、高圧印加とは異なる量子ドット超格子の作製法としてディップコート法を採用している。ディップコート法で作製した量子ドット集積薄膜の構造を詳しく解析するため、令和３年度にはナノテクノロジープラットフォームによって微小角入射Ｘ線小角散乱（GISAXS）測定を実施した。その結果、従来の薄膜X線回折装置では得られなかった膜面内の正確な構造情報も取得することができ、構造解析の精度が向上した。超格子構造はまだ実現できていないが、量子ドット間の波動関数の結合（ミニバンド形成）を示唆する結果を得た。
令和３年度には新たに、立方体形状の量子ドットを対象として、自己組織化による超格子の作製に成功した。電子顕微鏡によって、10nm程度の量子ドットが、一辺が数ミクロンの長方形板状に高密度に配列集積していることが確認できた。外観は超格子構造であるが、超格子的な電子状態・光物性を示すことは未確認である。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
圧力印加による超格子作製に関しては、高圧分光装置を完成させ、CdSe/ZnCdS/ZnSコアシェル量子ドットを対象に実験を実施した。量子ドット集合体に圧力を印加して超格子形成を試みる前に、個々の量子ドットが圧力下で受ける影響を確認するため、溶媒に分散させた量子ドットの高圧分光実験をおこなった。また、結晶構造と格子定数の圧力依存性は、放射光を使ったX線回折実験によりチェックした。その結果、1～2GPaの静水圧を印加すると、コアシェル界面にキャリアトラップとなる欠陥が形成され、発光特性が低下することが分かった。圧力印加による超格子作製をおこなう場合、低い圧力にとどめなければならないことが判明した。また、CuInS2量子ドットについても、放射光X線回折実験により、結晶構造と格子定数の圧力依存性のデータを得た。
量子ドット超格子薄膜の作製方法の開発については、CdSe/ZnCdS/ZnSコアシェル量子ドットとCuInS2量子ドットを対象に実施した。微小角入射小角X線散乱（GISAXS）を使う環境が整い、量子ドット配列構造の解析の信頼性が向上した。周期性の高い超格子構造はまだ得られていないが、最近接ドット間距離を揃えることができた。また、ドット間の波動関数の結合を示唆する吸収ピークのシフトが観測された。現在、薄膜作製条件を探索して、高い周期性をもった量子ドット超格子薄膜を目指して研究を続けている。
鉛ハライドペロブスカイト量子ドットを対象に、数マイクロメータと微小サイズではあるが、量子ドットが単純立方格子状に集積した３次元構造体の作製に成功した。低温顕微発光分光装置を組み立てて、超格子に特有の電子状態の観測を試みている。上記の2種類の量子ドットが球形であるのに対して、この量子ドットは立方体形状なので面を揃えて配列しやすく、さらに圧力印加して高い周期性を実現することが期待できる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでに複数の量子ドット超格子作製法を並列して開発してきたが、現時点で得られた最も周期性の高い超格子は、自己組織化法により作製した立方体形状鉛ハライドペロブスカイト量子ドットの超格子である。今年度は、この自己組織化超格子について、周期構造を電子顕微鏡で詳しく解析する。この超格子のサイズは数マイクロメータしかないため、低温の顕微発光分光法を駆使して、特有の電子状態、キャリア寿命、キャリアダイナミクス、および超蛍光現象等の電子物性と光物性を調査する。量子ドットサイズを変化させられるので、サイズ依存性も調査する。また、この超格子に圧力印加をおこない、量子ドット間距離を精密に変化させて、ドット間相互作用の大きさを制御する。そのために、まずこのマイクロメータサイズの量子ドット超格子を基板から外してダイヤモンドアンビルセル（DAC）に入れる技術開発と、DAC上で自己組織化により超格子を形成することを目指す。
一方、鉛ハライドペロブスカイト量子ドットは、耐湿性に劣るので、超格子作製後の保存が難しい。そこで、安定性が高く、これまでに超格子作製にトライしてきたCdSe量子ドットとCuInS2量子ドットについても研究を継続する。まず、これらの量子ドットについて、ディップコート法による超格子薄膜の作製法を確立する。薄膜試料のサイズは大きいため、小角X線散乱法を使って容易に構造解析ができ、分光評価も容易であるのが利点である。ドットのサイズ分散を抑制し、周期性の高いマクロなサイズの超格子を得て、電子状態・光物性を調べる。良質な超格子が得られない場合には、この方法で作製した量子ドット集積膜に圧力印加して、外力により配列制御することを目指す。同時に、ドット間距離を制御して、ドット間相互作用のメカニズムを調べる。
最後に、これらの結果を総括して、光機能性を付与するのに適した超格子構造を提案する。
|
| Causes of Carryover |
当初予定していた学会が新型コロナ対応でオンライン開催となったこと、及び、実験のための出張がマシンタイムの都合で日程変更となったことが旅費所要額に影響し、次年度使用額が生じた。
次年度はマシンタイムを追加で確保してあり、当該年度に時間が不足した実験を実施するために使用する計画である。
|
| Remarks |
研究発表Symposium on Creative Engineering 2021,"Spectroscopic investigation of interdot energy transfer between CdSe quantum dots with ZnCdS/ZnS double shells", H.Kuwabara, A.Yano, K.Watanabe, Y.Hamanaka
|
