| 研究課題/領域番号 |
19J13666
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| 研究機関 | 大阪市立大学 |
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研究代表者 |
李 ヨン信 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2021-03-31
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| キーワード | 半導体ナノ粒子 / 量子ドット / 超格子構造 / ミニバンド / 光学特性 |
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| 研究実績の概要 |
半導体ナノ粒子が近接し配列した超格子構造を作製し、ナノ粒子間の波動関数の結合に起因するミニバンドの形成を目指した。
ナノ粒子表面には、長さが約0.6nmの配位子であるN-アセチル-L-システイン(NAC)が結合しており、NACが有するNH基とCOOH基間の化学結合を利用して、CdTeナノ粒子が近接した集合体を作製した。X線構造解析からは、集合体においてナノ粒子が周期的に配列していること、また、ナノ粒子同士の表面間距離が約0.9nmであることが確認され、超格子構造の形成を実証した。
続いて、ナノ粒子間における波動関数の結合について評価するために、ナノ粒子分散試料と超格子構造の吸収スペクトルを測定した。ナノ粒子分散試料に比べて、超格子構造の吸収ピークが低エネルギー側にシフトする振る舞いが観測された。これは、ナノ粒子同士が近接したことで、それらの表面からしみ出した波動関数が結合し、より安定な結合準位が形成されたことを反映している。
ミニバンドの形成について評価するために、発光励起(PLE)スペクトルの受光エネルギー依存性を測定した。サイズ分布があるナノ粒子分散試料では、受光エネルギーに対応するサイズの信号が選択的に検出されるため、受光エネルギーの変化に従ってPLEピークがシフトする。対して、超格子構造では受光エネルギーを変えてもPLEピークはシフトしない。これは、異なる受光エネルギーでも同一の励起状態からの発光が検出されていることを反映している。すなわち、波動関数の結合によって、個々の電子状態が結合した拡張状態(ミニバンド)が形成されたことが示された。
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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
本研究は、(1)半導体ナノ粒子が近接し配列した超格子構造を作製し、(2)電子の拡張状態であるミニバンドの形成を実証すること、(3)ナノ粒子超格子構造における光物性を解明すること、(4)変換効率の高い太陽電池等への応用を目指している。
本年度は、(1)の目的について、短い配位子であるN-アセチル-L-システイン間の化学結合を利用することで達成した。さらに、(2)の目的について、ナノ粒子が溶液中に分散し、互いに相互作用が生じない孤立系と、ナノ粒子超格子構造における発光励起スペクトル等の光学特性を比較することで、これまで明確な報告がほとんどなかったミニバンドの形成を実証した。また、(3)の取り組みについてもおおむね順調に進捗している。
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| 今後の研究の推進方策 |
ナノ粒子超格子構造の光学特性に関する研究では、これまでナノ粒子間の近接が困難だったことから、ミニバンドの形成が明確に確認された試料は対象とされてこなかった。今後の研究では、ミニバンドを形成したナノ粒子超格子構造における発光ダイナミクスの解明を目指す。
半導体ナノ粒子では量子サイズ効果によって、バルク結晶では観られない電子状態の離散化が生じる。そのため、これまでナノ粒子特有の光学特性が数多く報告されてきたが、そのような物質を構成要素とした超格子構造においては、バルク結晶のような性質が発現することに加えて、ナノ粒子としての性質も保持されるのか等の疑問については詳細が明らかになっていない。そのため、発光励起スペクトルや時間分解発光スペクトル、発光減衰プロファイル等の温度依存性を調べ、ナノ粒子単体やバルク結晶等のこれまで豊富な知見が得られている物質の特性と比較することで、ナノ粒子超格子構造における物性を明らかにする。
また、ミニバンドを利用することで、太陽電池の変換効率が大幅に向上することが期待されている。このような応用を見据えて、ナノ粒子超格子構造における伝導特性や太陽電池としての機能性についても検証していく。
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