2022 Fiscal Year Annual Research Report
未利用な太陽光エネルギーを利用する多元量子ドット光触媒の開発
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22H00341
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
鳥本 司 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60271029)
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2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 多元半導体 / 近赤外光 / 発光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低次元材料である量子ドットは、極めて大きな比表面積をもつ非平衡材料であり、他の物質との相溶性や非化学量論組成が大幅に拡大するので、材料設計の自由度が大きい。現在、高毒性元素を含むCdSe,CdTe,PbSなどの二元半導体量子ドットが主な研究対象となっているが、その利用範囲は厳しく制限されており実用化が困難な材料といえる。そこで本研究課題では、低毒性元素からなる多元半導体（３元素以上）の化学組成・非化学量論性と異種元素のドープ量を精密に制御し、量子ドットの電子構造を自在に制御することを目指す。まず初年度は、これらの研究の基礎となる近赤外光領域にバンドギャップ（Eg）をもつ新規多元量子ドットの合成と特性制御を集中的に行った。
ベースとなる半導体量子ドットとしてAg2Sを選び、深いトラップ準位を形成しない閉殻構造を持つ金属イオンでありGe(IV)イオンをドープすることにより、これまでに報告例のない三元Ag-Ge-S量子ドットを合成した。得られた量子ドットは、化学量論組成に近い組成を持つ球状 Ag8GeS6量子ドット（均粒径：約4.7 nm）であった。その吸収端波長は約820 nmに見られ、そこから求めたEgは1.51 eVであった。Ag-Ge-S量子ドットは、ブロードな発光ピークを示し、そのピーク波長は約810 nmであった。さらにZnSによりAg-Ge-S量子ドットを被覆すると粒子の平均粒径は約5.7 nmに増大した。このことから、ZnSシェルが Ag-Ge-Sコア粒子表面に析出したことがわかる。ZnSシェル被覆によって量子ドットの吸収特性はほとんど変化がなかったが、その発光強度は大きく増大した。このように、近赤外光流域にEgをもつAg2S量子ドットに、適切な金属イオンをドープすることによって、近赤外領域に発光ピークを持つ新規低毒性三元量子ドットの合成に成功した。
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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
計画通り、新規三元半導体量子ドットの合成に成功したため。
すなわち、ベースとなる半導体量子ドットとしてAg2Sを選び、深いトラップ準位を形成しない閉殻構造を持つ金属イオンでありGe(IV)イオンをドープすることにより、これまでに報告例のない三元Ag-Ge-S量子ドットを合成した。得られた量子ドットは、化学量論組成に近い組成を持つ球状 Ag8GeS6量子ドット（均粒径：約4.7 nm）であった。その吸収端波長は約820 nmに見られ、そこから求めたEgは1.51 eVであった。Ag-Ge-S量子ドットは、ブロードな発光ピークを示し、そのピーク波長は約810 nmであった。さらにZnSによりAg-Ge-S量子ドットを被覆すると粒子の平均粒径は約5.7 nmに増大した。このことから、ZnSシェルが Ag-Ge-Sコア粒子表面に析出したことがわかる。ZnSシェル被覆によって量子ドットの吸収特性はほとんど変化がなかったが、その発光強度は大きく増大した。このように、近赤外光流域にEgをもつAg2S量子ドットに、適切な金属イオンをドープすることによって、近赤外領域に発光ピークを持つ新規低毒性三元量子ドットの合成に成功したことから、「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
光エネルギー変換に利用される多元半導体は、深いトラップ準位を形成しない閉殻構造を持つイオンから構成され、d軌道に電子がないd0金属イオンおよびd軌道が完全に電子で満たされたd10金属イオンと、V族およびVI族アニオン（N3-, O2-,S2-,Se2-など）から構成されることが多く、これらの組合せによって半導体の電子構造が制御できる。
そこで、2022年度の研究計画（新規多元量子ドットの合成）を引き続き行うとともに、2023年度は、量子ドットの組成・形状制御法を確立し、量子ドットの光電気化学特性に及ぼす影響を評価する。以下の項目を実施する。
（1）近赤外光領域にエネルギーギャップを有するカルコゲナイド銀化合物半導体を対象として、その量子ドットを高精度に作製する。さらに、様々な金属イオンをドープして、その光学特性の変調方法を確立する。
（2）量子ドットの電子エネルギー構造が化学組成により大きく変化することを利用し、ナノ結晶内部の組成を空間的に変調し、粒子内部に電場勾配やヘテロ接合をもつ量子ドットを作製する。さらにこの空間的な組成変調が光生成キャリアのダイナミクスに及ぼす影響を評価する。
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