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2015 年度 実績報告書

半導体ナノ微粒子複合系のホットキャリア・マルチキャリア移動と荷電励起子の研究

研究課題

研究課題/領域番号 15H03773
研究機関関西学院大学

研究代表者

玉井 尚登  関西学院大学, 理工学部, 教授 (60163664)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード半導体ナノ微粒子 / 荷電励起子 / ホットキャリア / マルチキャリア / 過渡吸収分光
研究実績の概要

今年度は,以下の項目を中心に研究展開した。
1.半導体ナノ微粒子複合体のホットキャリア移動の解析
ホットキャリア移動とその反応メカニズム,量子閉じ込めの次元性との関係を解明するために, 3次元量子閉じ込めのCdSe量子ドット(QDs),および1次元量子閉じ込めのCdSe ナノプレートレット(NPLs)を合成し,これらに貴金属ナノ微粒子,特にAuやPt等のナノ微粒子(NPs)を接合する手法を種々検討した。高分解能電子顕微鏡(HRTEM)で構造解析した結果,CdSe NPLsには直径2 nm程度までの小さなAuおよびPt NPsなら接合可能である事が分かった。更に,Au, Pt NPsを接合したCdSe NPLsの状態選択励起による過渡吸収分光の結果,1次元量子閉じ込めのNPLsでは,(a)連続的なエネルギー準位による効率的なフォノン放出の為に高励起状態からの緩和が非常に早い事,(b)これによりホットキャリア(電子)移動がほぼ起こっていない事,(c)バンド端からの数100 fsの電子移動以外に,パルス幅(~ 60 fs)よりも早い超高速電子移動が存在している事,が明らかになった。
2.半導体ナノ微粒子系の荷電励起子
電子のドーピング剤としてNaBH4やLi[Et3BH]を用い,種々のCdSe QDsおよびCdSe NPLsに光化学電子ドーピングを行った。その結果,ドープ量の少ない状態ではQDs発光量子収率が増大したが,ドープ量が増加すると減少し,早い発光減衰が観測された。これは,ドープ量に依存して最初はQDsの表面欠陥が電子ドーピングによって埋まり発光量子収率が増大するが,更に加えると1S状態でトリオンが生成してその緩和が早くなるものと解釈した。また,CdSe NPLsでは,電子顕微鏡観察により電子ドープしても形状変化は全くないが,吸収および発光スペクトルが大きく変化するという興味深い現象を見出した。

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

CdSe NPLsにAuおよびPt NPsを接合する条件を見出すと共に,それらに対してフェムト秒状態選択励起の過渡吸収分光を適用し,キャリア移動を解析した。その結果,1次元量子閉じ込め系ではホットキャリア移動が起こらない事を実験的に初めて明らかにした。
さらに,光化学電子ドーピングでは,ドープ量に依存した発光量子収率の増大やトリオン形成を見出しており,順調に研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

昨年度に引き続き,以下の項目を中心に研究展開する。
1.これまでの研究では,2 nm 以下のサイズの小さな貴金属ナノ微粒子しか接合できなかったが,より大きなサイズのプラズモン増強電場を持つAuやPtなどの貴金属ナノ微粒子を接合する方法論,および貴金属ナノ微粒子の接合数を制御する方法論を開拓し,新規なハイブリッド系の構築を目指す。
2.これらのハイブリッド系の構造を高分解能電子顕微鏡(HRTEM)で解析する。さらに,半導体ナノ微粒子から貴金属ナノ微粒子へのキャリア移動ダイナミクスに関し,特にホットキャリア移動およびマルチキャリア移動反応をフェムト秒過渡吸収分光の状態選択励起とその励起光強度依存性により解析する。これにより,電子状態やサイズ,形状,量子閉じ込めの次元性とホットキャリア,マルチキャリア移動速度の関係を明らかにする。
3.これまでCdSe QDsを中心に電子ドーピングの実験を行い,初期段階で発光増強が観測されたので,その詳細なメカニズム解明を行う。発光増強が表面欠陥サイトの電子占有によるものかどうか,種々のサイズの欠陥を有するCdSe QDsを用いて,ドーピングによる発光増強のサイズ依存性および荷電励起子の発光寿命のサイズ依存性を解析する。Li[Et3BH]を用いた電子のドーピングだけで無く,ホールドーピング剤としてTCNQ等も用いる。またCdSe NPLsのドーピングに関しても予備的な実験を行ってきたが,吸収・発光スペクトル変化とHRTEM観察による構造との相関,および励起子ダイナミクスを時間分解レーザー分光により詳細に解析する。さらにトリオン等の荷電励起子は低温でより安定に存在すると考えられるので,低温における解析も行い,荷電励起子の光特性や結合エネルギーのサイズ依存性,量子閉じ込めの次元性との相関を明らかにする。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 5件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Organic nanoparticles of malachite green with enhanced far-red emission: size-dependence of particle rigidity2015

    • 著者名/発表者名
      T. Funada, T. Hirose, N. Tamai, and H. Yao
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 17 ページ: 11006-11013

    • DOI

      10.1039/c5cp00031a

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Charge Transfer Dynamics and Auger Recombination of CdTe/CdS Core/Shell Quantum Dots2015

    • 著者名/発表者名
      Li Wang, Yumei Tian, Tomoki Okuhata, and Naoto Tamai
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 119 ページ: 17971-17978

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b05254

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] コア-シェル型CdSe-CdS量子ドット-アクセプター系の電子移動ダイナミクスの研究2016

    • 著者名/発表者名
      野中康平・奥畑智貴・片山哲郎・玉井尚登
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学京田辺キャンパス (京都府・京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] 広視野フェムト秒顕微過渡吸収測定による有機無機ペロブスカイト微粒子の励起子ダイナミクス2016

    • 著者名/発表者名
      片山哲郎・末永晴信・奥畑智貴・玉井尚登
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学京田辺キャンパス (京都府・京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] Ptナノ粒子接合CdSeナノプレートレットにおける電子移動ダイナミクスの励起波長依存性2016

    • 著者名/発表者名
      前田錦吾・奥畑智貴・片山哲郎・玉井尚登
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学京田辺キャンパス (京都府・京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] 有機金属ハロゲン化物ペロブスカイト型量子ドットの合成と励起子ダイナミクス2016

    • 著者名/発表者名
      末永晴信・奥畑智貴・片山哲郎・玉井尚登
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学京田辺キャンパス (京都府・京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] Carrier Dynamics of Trion in CdSe Nanocrystals by Photochemical Electronic Doping2015

    • 著者名/発表者名
      N. Kakimoto, Y. Usui, T. Okuhata, N. Tamai
    • 学会等名
      PACIFICHEM 2015
    • 発表場所
      Honolulu (USA)
    • 年月日
      2015-12-14 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] CdSeナノプレートレットのAuger再結合のサイズおよび温度依存性2015

    • 著者名/発表者名
      臼井 裕貴・奥畑 智貴・片山 哲郎・玉井 尚登
    • 学会等名
      第9回 分子科学討論会
    • 発表場所
      東京工業大学 大岡山キャンパス (東京都・目黒区)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] CdSe-Auハイブリッドナノ構造体における電子移動素過程と量子閉じ込めの次元性2015

    • 著者名/発表者名
      奥畑 智貴・片山 哲郎・玉井 尚登
    • 学会等名
      第9回 分子科学討論会
    • 発表場所
      東京工業大学 大岡山キャンパス (東京都・目黒区)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] ぺロブスカイト型量子ドットのSub-20fs分光法を用いた励起子ダイナミクス2015

    • 著者名/発表者名
      片山 哲郎・末永 晴信・奥畑 智貴・玉井 尚登
    • 学会等名
      第9回 分子科学討論会
    • 発表場所
      東京工業大学 大岡山キャンパス (東京都・目黒区)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] Electron Transfer Process in CdSe NPLs-Acceptor Molecules Complexes2015

    • 著者名/発表者名
      T. Okuhata, N. Tamai
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学 杉本キャンパス (大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] CdSe-Ptハイブリッドナノ構造体の電子移動ダイナミクス2015

    • 著者名/発表者名
      前田 錦吾・臼井 裕貴・奥畑 智貴・片山 哲郎・玉井 尚登
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学 杉本キャンパス (大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] CdSeナノ粒子における荷電励起子の緩和ダイナミクス -光化学電子ドーピングとフェムト秒分光-2015

    • 著者名/発表者名
      柿本 直樹・奥畑 智貴・臼井 裕貴・片山 哲郎・玉井 尚登
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学 杉本キャンパス (大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] フォトクロミック分子-半導体ナノ粒子における有機-無機ハイブリッドナノ粒子系構築に向けたSub20 fs過渡吸収スペクトル測定法によるフォトクロミック分子、半導体ナノ粒子の励起状態ダイナミクス2015

    • 著者名/発表者名
      片山哲郎・上本健太・木下賢・奥畑智貴・高木和也・横山泰・玉井尚登
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学 杉本キャンパス (大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] Synthesis and Electron Transfer Dynamics of Pt Nanoparticle-attached CdSe Nanoplatelets2015

    • 著者名/発表者名
      Kingo Maeda, Yuki Usui, Tomoki Okuhata, Naoto Tamai
    • 学会等名
      27th International Conference on Photochemistry
    • 発表場所
      Jeju ( Korea)
    • 年月日
      2015-06-28 – 2015-07-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Carrier Transfer Dynamics from CdSe NPLs to Acceptor Molecules2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Okuhata, Naoto Tamai
    • 学会等名
      27th International Conference on Photochemistry
    • 発表場所
      Jeju ( Korea)
    • 年月日
      2015-06-28 – 2015-07-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Elementary Relaxation Processes and Coherent Acoustic Phonon Dynamics of Pd-Ag Core/Shell Plasmonic Nanoplates2015

    • 著者名/発表者名
      Naoto Tamai, Takuya Sakaguchi, Li Wang, Motohiro Tsuboi
    • 学会等名
      27th International Conference on Photochemistry
    • 発表場所
      Jeju ( Korea)
    • 年月日
      2015-06-28 – 2015-07-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Hot and Ultrafast Carrier Transfer in Semiconductor-Metal Hybrid Nanostructures2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Okuhata, Gabriel Sagarzazu, and Naoto Tamai
    • 学会等名
      20 Years of Quantum Dots at Los Alamos
    • 発表場所
      New Mexico (USA )
    • 年月日
      2015-04-12 – 2015-04-16
    • 国際学会
  • [図書] 発光の事典ー基礎からイメージングまでー (5.4.1 エネルギー移動)2015

    • 著者名/発表者名
      編集:木下修一・太田信廣・永井健治・南不二雄 執筆者:玉井尚登
    • 総ページ数
      771 (405-418 page)
    • 出版者
      朝倉書店
  • [図書] 発光の事典ー基礎からイメージングまでー (5.4.4 会合体)2015

    • 著者名/発表者名
      編集:木下修一・太田信廣・永井健治・南不二雄 執筆者:玉井尚登
    • 総ページ数
      771 (429-437 page)
    • 出版者
      朝倉書店

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公開日: 2017-01-06  

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