希土類(III)イオンをドープした半導体ナノ結晶の発光と量子閉じ込め効果

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14540540
• 研究機関: 成蹊大学
• 研究代表者: 森田 眞 成蹊大学, 工学部, 教授 (70054351)
• 研究分担者: 馬場 基芳 東京大学, 物性研究所, 助手 (60159077) ; 岩村 宗高 成蹊大学, 工学部, 助手
• キーワード: 半導体 / ナノ結晶 / ルミネッセンス / 量子閉じ込め効果 / CdS / Eu / シリカナノチューブ / ゾルゲルシリカガラス

研究概要

II-VI族化合物半導体の粒径をナノメーター程度まで小さくすると、電子は有効ボアー半径の中に閉じ込められて、量子効果と非線形光学物性を示すことが分かってきた。ポーラスの細孔を持っているSiO_2を主成分とするゾルゲルシリカガラスおよびシリカナノチューブMCM41にナノ半導体微粒子と希土類イオンをドープさせ、その発光を研究した。試料として、希土類(III)イオンをドープした半導体ナノ結晶(Zn,Cd)S:RE(III)(RE=Tb^<3+>,Eu^<3+> etc)を合成し、サイト選択時間分解蛍光(TRS-FLN)、蛍光スペクトル、寿命およびそれらの温度変化を測定し、バルク結晶の場合とNCの発光結果を比較し、発光特性評価を行った。SiO2/CdS:REに関しては、CdSの表面欠陥にもとずく赤色発光とf-f遷移が重なるので、電子状態が解明しやすいMCM41/CdS:Euに絞って研究した。NC試料:MCM41/CdS:Eu^<3+>,Tb^<3+>(逆ミセル法で合成)のサイズはTEMおよび励起スペクトル/拡散反射スペクトルによる実測/計算値より約3-5nmであった。Eu^<3+>の発光ピークは16,300cm^<-1>の近傍にあることがTRSより判明。しかし多くの場合ブロードな発光バンドがCdS(14.5KK)及びSiO_2母体(19KK)に基づき出現するので、PLでは確認し難い。試料:MCM41/ZnS:Eu^<3+>,Tb^<3+>ではA,B,C linesとして観測される。NC固有のスペクトル特性:表面修飾剤(C16,C10 AOT)の違いが寿命の差になること、ピコ秒の寿命成分の存在、dopants(Eu,0,Tb)の及すバンド位置のシフト、顕著な磁気双極子遷移などに見られている。Sp-d混成の開明には複雑なvibronic bandsおよび励起スペクトルの解析が必要。

研究成果

• [文献書誌] M.Morita, S.Kajiyama, D.Rau, T.Sakurai, M.Iwamura: "Luminescence of closed shell molecular complex centers in nanoporous sol-gel SiO_2 glasses"J.Lumin. 102-103. 608-613 (2003)
• [文献書誌] M.Morita^1, T.Ishii^1, M.Baba^2, D.Rau^1, M.Iwamura: "Photoluminescence and ultra fast decay profiles of rare earth (III) ion doped semiconductor nanocrystals encapsulated in silica nanotube AMCM-41/Cd_xZn_<1-x> S:Eu^<3+>,Tb^<3+>"J.Lumin.. (in print). (2004)
• [文献書誌] M.Morita^1, D.Rau^1, M.Herren: "Circularly polarized luminescence and enantiomeric energy transfer discrimination of chiral Tb(III)-Nd(III) EDDS and related complexes"J.Alloys compounds. (in print). (2004)
• [文献書誌] M.Baba, M.Ichihara, R.A.Ganeev, M.Suzuki, H.Kuroda, M.Morita, D.Rau, T.Ishii: "Direct observation of metal complex nanoparticles doped in sol-gel silica glasses using trrans mission electron microspectroscopy"Appl.Phys.Lett.. 84. 2394-2396 (2004)
• [文献書誌] R.A.Ganeev, M.Baba, M.Morita, et al.: "Nonlinear optical properties of CdS and ZnS nanoparticles doped into Zirconium oxide films"J.Opt.A : Pure Appl.Opt.. 6. 1-7 (2004)