| 研究課題/領域番号 |
22K18717
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
山中 隆志 九州大学, 基幹教育院, 助教 (90632357)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | メチルアンモニウム臭化鉛 / 逆温度結晶化法 / 臭化メチルアンモニウム / 臭化鉛(II) / 移動度・寿命 / ベータ線 / ペロブスカイト半導体 / セシウム臭化鉛 / ガンマ線検出器 / 粒子検出器 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
シリコンなどを用いた既存の半導体検出器は高い検出性能を持つ反面、大型化の難しさや高額な製作コストなど実用面で多くの制限がある。高い光電変換効率により太陽光発電の分野で新たに研究が進んでいるメチルアンモニウム臭化鉛に代表されるペロブスカイト半導体材料は単結晶として生成できる他、薄膜状に生成することもでき、低コストで大面積化することが可能となりつつあり、また、原子番号が大きな元素を含むことから、薄膜状にしてもガンマ線などの高エネルギーの粒子線に対して大きな吸収断面積を持つ。本研究ではペロブスカイト半導体を用いた検出器を種々の形状で作成し、実用的な検出器としての性能を検証する。
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| 研究実績の概要 |
今年度より自身でメチルアンモニウム臭化鉛（MAPbBr3）の単結晶の生成に着手した。室温でN,N-ジメチルホルムアミド溶媒に臭化メチルアンモニウムと臭化鉛(II)を飽和するまで溶解した後に温度を上昇させることで析出させる逆温度結晶化を用いることで、実験室でも比較的容易に結晶生成が可能となった。安定して6 mm角以上の透明度の高い結晶を生成するための条件を見つけ、結晶の量産を行った。製作した結晶の性能を確認するため、可視光に対する吸収効率を測定し、MAPbBr3の特徴である550 nmでの吸収・透過の転換を確認した。
その後、結晶表面に金属を薄膜状に蒸着することで読み出し電極とし、増幅回路と接続して検出器を製作した。この素子の性能を確認するため、青色LED光を半透明の電極面から入射し、そこから発生する光電流を反対側の電極で読み出すことで結晶内の電子、ホールの移動度・寿命積を測定した。この測定の結果、目標値の1/10程度の移動度・寿命しかないことが確認され、結晶の質の向上が必要なことが判明した。遮光状態での電流・電圧特性の測定からも暗電流が目標値の10倍ほど大きく、このことからも結晶の質の改善が必要とされる。
結晶を成長させる際に種となる結晶を使用する必要があるが、これが残った状態の結晶が不均一さの一因であることが疑われたため、生成した結晶を研磨して問題となる部分を削り落とし、均一度の高いと考えられる部分のみを取り出した。この方法の確立により自然に生成した結晶そのままの形、サイズだけでなく、自由な形状に整形することも可能となった。しかし、研磨後の結晶でも移動度・寿命および暗電流に大きな変化が見られなかったことから、これだけが結晶の質の悪さの原因ではないと考えられる。一方、結晶を1 mm程度まで薄くしたことにより相対的にはノイズが減少し、ベータ線源からの信号の確認には成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度からの方針転換により、ペロブスカイト結晶を自作する必要に迫られ、そのための設備の準備や方法の確立には時間を要した。その一方で、安価に結晶を作成し、またその質も自ら制御する手法を獲得したことにより、計画や予算の自由度が増し、また結晶そのものへの理解度も深めることができた。これにより結果的には目的とする結晶の生成をより速く、大量に入手可能となった。また、生成した結晶を用いた検出器でベータ線源からの有意な信号を確認できたことで今後の検出器開発に向けてより確度の高い計画を立てることが可能になった。
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| 今後の研究の推進方策 |
結晶の研磨による不均一な結晶の除去は可能となり、電子・ホールの移動度・寿命や暗電流にもある程度の改善は見られたものの、十分とは言えない結果となった。そのため、今後は結晶の均一度だけでなく、純度改善を目指す。そのため、使用する材料の高純度化および結晶生成時の不純物混入の低減などの対策を進める。
また、ベータ線での信号を観測できたことから放射線検出器としての最低限の機能の確認ができた。ただ、現状の性能では信号量が小さいベータ線などの軽い粒子の検出に使用するには不十分であるため、まずは現状の性能でも適用が可能と考えられる重元素の検出に向けての装置開発を進めていく。
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