2021 Fiscal Year Research-status Report
Photo-excitation process of single semiconductor nano-particle
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21K04810
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| Research Institution | Gakushuin University |
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Principal Investigator |
齊藤 結花 学習院大学, 理学部, 教授 (90373307)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 半導体ナノ粒子 / フォトルミネッセンス / 単一ナノ粒子 / 紫外分光 / 自由励起子 / 酸化亜鉛 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体ナノ粒子はそれ自体低次元系物質として物理的に興味深いだけでなく、高効率な太陽電池への応用も期待されている。これらのナノ粒子には個体差があるため、試料の集団平均を測定するかわりに"単一ナノ粒子"を観測することで、よりシャープで的確な物性測定ができる。単一ナノ粒子の電子状態はこれまでにも研究されているが、その知見は主に可視域の分光に限られている。本研究では走査プローブ顕微鏡加え、これまで当研究室で開発してきた紫外散乱分光および蛍光分光の技術を駆使して、個々の半導体ナノ粒子の形状および電子状態の個性を明らかにすることを目的とした。２種類の異なる方法、レーザーアブレーションと化学合成で作製した酸化亜鉛（ZnO）単一ナノ粒子および単一凝集体について、個々のナノ粒子の紫外フォトルミネッセンス（PL）スペクトルを取得した。
レーザーアブレーションで作製したナノ粒子は大半が量子ドットよりも大きいサイズ領域にあるにもかかわらず励起子発光には明確なばらつきがみられた。これは粒子のサイズそのものよりも結晶ドメインの種類がエキシトン発光に影響し、粒子ごとにその割合が異なることが分かった。欠陥に由来する発光はほとんどの粒子について見られず、結晶性が高いことが示された。フォノンレプリカのスペクトルから、粒子同士の凝集が励起子の挙動に影響していることが明らかになった。格子振動と励起子の結合は励起子エネルギーの散逸をもたらすため、粒子の集合と分散、さらに表面状態が試料の物性を左右するという知見は、材料設計に重要な情報であると考えられる。
化学合成で作製したナノ粒子は、試料のサイズと励起子発光波長に相関があることが示された。また試料は強い欠陥発光を示し、個々のナノ粒子が異なる種類の欠陥を持つことが示された。単一ナノ粒子の散乱スペクトルから、粒子サイズと試料の光吸収に相関があることが示された。
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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
今年度は既存の紫外顕微システムに新たに紫外域で利用可能な顕微鏡を導入し、試料の広域視野の光学像を取得することを可能にした。従来のシステムでも単一ナノ粒子の測定は可能であったが、この方法を導入することで試料の位置決めが容易になり測定の難易度を大きく下げることができた。原子間力顕微鏡で試料の形状を取得することがこれまでよりも容易になり、多くのナノ粒子について粒子のサイズとPLスペクトルの関係を議論することができるようになった。その結果、試料の凝集状態と格子振動とのカップリングの関係を議論することができるようになり、凝集による励起子エネルギーの失活に関する情報を得ることができた。これは顕微分光で局所的な測定を行うことで初めて明らかになった知見であり、従来の粒子集団を対象とした測定では決して得られなったものである。以上、予想以上の情報が得られたということ、装置の性能が向上したということの２点から、本研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
試料を温度コントロールセルに封入しシステムに超長作動対物レンズを組み込んで、温度を室温から77 Kまで変化させPL測定を行う。低温にすることでPL強度が増大するため測定の感度を高めることができる。また液体窒素温度という限界はあるが、格子振動の影響を変化させることができる。このような条件下、ZnOナノ粒子における励起子、欠陥発光、フォノンレプリカと試料の形状、結晶性、凝集との関係を探求する。
化学合成で作製した試料は多くの欠陥を有し、個々の粒子からの欠陥発光は異なるスペクトルを示しており、追加実験によりその性質を明らかにする必要がある。温度を変化させることで、表面欠陥にトラップされた励起子発光を含む、欠陥発光の詳細を明らかにすることができる。
格子振動と励起子のカップリングは、スペクトル分解能を上げてフォノンレプリカの詳細を観測することでより詳しく議論できる。低温にすることでPLスペクトルの微細構造を観測することができる。室温では難しかった励起子ー格子振動のカップリング効率と粒子の構造との関係を低温において観測し、材料設計への新たな指針を得る。
より多くの粒子の測定を可能にするために、装置にｘｚ自動クロススリットを導入する。これまでは暗視野顕微画像の中の測定したい粒子を分光するために、分光器のスリットのちょうど中央位置に投影する必要があって、実験準備に時間がかかった。ここで自動クロススリットを導入すると、位置決め作業を容易に行うことができて、準備段階を含めた測定に要する時間が大幅に短縮されることが見込まれる。そのため多くの粒子からの情報を集め、結果を議論することが可能になると考えられる。
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| Causes of Carryover |
実験装置の高額部品（クロススリット）を導入する計画が昨年よりあり、費用枠を確保していたが、本研究のために構築したシステムに組み込むためには既製品では対応できず、特注する必要が生じた。そのため設計と部材の調達に時間を要した。
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