多重量子井戸構造を利用した新規高性能シンチレーター材料の開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14658144
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 浅井 圭介 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (60231859)
• キーワード: シンチレーター / 励起子(エキシトン)発光 / 量子サイズ効果 / 電離放射線 / 半導体材料 / フォノン / 有機無機ハイブリッド化合物 / 核医学診断装置(PET)

研究概要

シンチレーターは放射線計測に用いられる一種の発光材料で、電離放射線のエネルギーを吸収して光に変換する機能を持つ物質のことである。今までのシンチレーターでは、この変換に際しての明るさ(変換効率)と速さ(変換速度)を両立することができなかったが、本研究によりハロゲン化鉛系のペロブスカイト型有機無機ハイブリッド材料が、両要件を満足する物質である事が見出された。当該化合物は、絶縁体である有機アミンと半導体であるハロゲン化鉛とが、自己組織的に交互に積層した特徴的な構造を有するが、放射線によって伝導帯に励起された電子は、荷電子帯に残された正孔とともに、無機層(量子井戸層)に深く閉じ込められるため、量子サイズ効果によって励起子(電子・正孔対)の束縛エネルギーが300meVにまで増大する。その結果、フォノン(格子振動)の影響による発光の阻害が発生せず、室温でも高い量子効率が得られた。また、このような機構による発光は、従来のシンチレーターとは異なり、発光中心の励起状態などの中間的なエネルギー状態を経由せずに、直ちに電子と正孔の再結合によって輻射緩和(励起子発光)に至るため、大きな変換速度が得られた。このように、量子サイズ効果を放射線計測センサーの分野に導入することによって、今まで達成する事が困難であるとされてきた、明るさと速さを兼ね備えたシンチレーター材料が実現可能であることを、はじめて実証した。このような、高性能シンチレーターは高エネルギー物理学や核医学の分野のタイミング計測で強く求められているため、実用化に向けての研究が期待される。

研究成果

• [文献書誌] K.Shibuya, K.Asai, 他2名: "Scintillation properties of (C_6H_<13>NH_3)_2PbI_4 : Exciton luminescence of an organic/inorganic multiple quantum well structure compound induced by 2.0MeV protons"Nuclear Instruments and Methods B, Beam Interactions with Materials & Atoms / Elsevier Science. Vol.194 No.2. 207-212 (2002)
• [文献書誌] M.Koshimizu, K.Asai, 他2名: "Measurement of the local temperature in an Ion track using low-dimensional quantum confinement structure"Radiation Physics and Chemistry / Elsevier Science. Vol.66 No.1. 35-38 (2002)
• [文献書誌] M.Koshimizu, K.Asai, 他2名: "Biexciton luminescence in the layered perovskite-type materials induced by high-energy ion irradiation"Nonlinear Optics / Taylor and Francis. Vol.29 No.7-9. 397-402 (2002)
• [文献書誌] K.Shibuya, K.Asai, 他2名: "Development of a novel ultra-fast scintillator with an MQW structure"Proceedings of IEEE Sensors 2002, Orland, Florida, USA / IEEE Sensors Council. Conf.1,Vol.I. 552-555 (2002)
• [文献書誌] 澁谷憲悟, 浅井圭介, 他2名: "二次元量子閉じ込め構造を利用した新規超高速シンチレーターの開発(第11回応用物理学会講演奨励賞受賞講演要旨)"放射線/応用物理学会放射線分科会. Vol.28,No.2. 218-220 (2002)