2021 Fiscal Year Annual Research Report
光物質複合状態による電荷分離過程の新規制御法の確立と応用
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20K22543
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
岡田 大地 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員 (10880346)
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| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2022-03-31
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| Keywords | 強結合状態 / 電荷分離 / 起電力 / 非線形光学効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光共振器中の光と物質の間で生じる光-物質強結合状態において、電荷分離過程がどのように変化するかの調査を目的とし評価を行なった。有機薄膜太陽電池において一般的な物質であるP3HTおよびPCBMを用い、スピンコートおよび銀(ミラー)蒸着行うことで、光共振器を作成し、強結合状態の評価を行なった。その結果、P3HTにPCBMを40wt%ほど混合した薄膜においても、約1eVの非常に大きなスペクトル分裂(ラビ分裂)が観測された。これは、P3HTの強い光吸収特性と、基板に対するフェイスオン配向性により、光と遷移双極子の結合が促進されているからであると考えられる。このような大きいラビ分裂は、超強結合状態などの特異な量子状態を実現可能とする候補物質としての可能性も秘めている。得られた共振器薄膜を、マイクロ波を用いてそのキャリア特性の評価を行なった。その結果、強結合状態、非強結合状態にて、キャリア挙動の顕著な差は現れなかった。しかしながら、金属をミラーとしている場合、金属-試料界面におけるキャリアトラップにより、キャリアの寿命が減少することがある。そのような影響の元でも、薄膜同様の特性を示すため、キャリア寿命の電極存在下での長寿命化が生じている可能性もある。
また、非線形光学効果に伴い生じる光起電力効果にも着目し、強結合状態下における非線形光学挙動の評価を光学的に行なった。具体的には、第二次高調波発生(SHG)の実験を行なった。材料としては、2枚のミラー間にペロブスカイト半導体を組み込んだ光共振器を用いた。その結果、強結合状態の影響により生じるラビ分裂の高エネルギー側の分裂ピーク波長にて、SHGの効率が10倍ほど向上することが明らかになった。これは、近年盛んに研究が行われているバルク光起電力効果などの特性改善に強結合が大きく寄与する可能性を示す結果である。
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