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2020 年度 実施状況報告書

高感度光電流コヒーレント分光法の開発と半導体ナノ粒子の非線形電流制御

研究課題

研究課題/領域番号 20K14385
研究機関京都大学

研究代表者

田原 弘量  京都大学, 化学研究所, 助教 (20765276)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワード光物性 / エキシトン / ナノ粒子 / 量子ドット / 光電流 / 光電変換 / コヒーレント制御
研究実績の概要

半導体ナノ粒子は太陽電池や発光ダイオードなどの光電デバイスへの応用が期待されている材料であり、基礎的な物性挙動の理解が望まれている。本研究では、半導体ナノ粒子のエキシトン複合体と光電流生成過程の解明を目的として、高感度の光電流コヒーレント分光法を開発する。電子状態の量子コヒーレンスを計測することで、電子状態変化にともなう電流生成メカニズムの解明を目指す。本年は、光電流検出に向けたナノ粒子薄膜試料の作製と光電流分光法の開発を行った。化学合成されたナノ粒子の表面はリガンドで覆われているため、そのままナノ粒子どうしを近接させてもキャリアの伝導性は生じない。そこで、光電流検出を行うためにナノ粒子表面のリガンド処理を行い、ナノ粒子内に生成した光キャリアを光電流として外部に取り出すことができるナノ粒子薄膜を作製した。次に、電子系のコヒーレント信号を光電流で検出するために、位相ロックパルスと光電流検出法を組み合わせた分光システムを開発した。この手法は、2本の励起パルスの相対位相を高精度にロックしながらスキャンすることでコヒーレントな信号を計測する方法である。ナノ粒子薄膜試料を用いることで、光電場の振動に追従する光電流応答を検出することに成功した。さらに、ペロブスカイトナノ粒子ではエキシトン複合体の生成過程について、過渡吸収分光および過渡光電流検出に成功した。これらの結果は、ナノ粒子内における光キャリアの生成・緩和過程および光電流生成メカニズムの解明につながる成果である。

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

本年度に計画していた光電流計測に向けたナノ粒子薄膜の作製およびコヒーレント信号の光電流検出に成功し、次年度に計画しているマルチエキシトンの光電流計測に向けた指針を得ることができた。以上の進捗状況により、おおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

本年度の研究で計測に成功した光電流コヒーレント信号には、ナノ粒子薄膜特有の物性挙動が含まれることが分かってきた。次年度には、励起強度に対する量子コヒーレンスの信号強度の相関を明らかにすることで、マルチエキシトンに起因した光電流の発生メカニズムについて研究を進める。さらに、過渡光電流計測に関する実験を進め、エキシトン複合体と高速光電流発生メカニズムの関係を明らかにする。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2021 2020

すべて 学会発表 (5件) (うち招待講演 1件)

  • [学会発表] ナノ構造半導体における光励起状態の位相制御と量子光物性開拓2021

    • 著者名/発表者名
      田原弘量
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] PbS量子ドット薄膜における高調波ダイポール振動増強の光電流検出2021

    • 著者名/発表者名
      田原弘量, 坂本雅典, 寺西利治, 金光義彦
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] ハロゲン化鉛ペロブスカイトナノ粒子薄膜における超高速キャリアダイナミクスの光電流計測2021

    • 著者名/発表者名
      媚山悦企, 田原弘量, 猿山雅亮, 佐藤良太, 寺西利治, 金光義彦
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] ダブルポンプ法によるCsPbI3 ナノ粒子の非対称ホットバイエキシトン形成と光学利得特性2020

    • 著者名/発表者名
      媚山悦企, 田原弘量, 佐藤良太, 猿山雅亮, 寺西利治, 金光義彦
    • 学会等名
      第31回光物性研究会
  • [学会発表] 非対称ホットバイエキシトン形成によるCsPbI3ナノ粒子の光学利得の向上2020

    • 著者名/発表者名
      媚山悦企, 田原弘量, 廣理英基, 佐藤良太, 猿山雅亮, 寺西利治, 金光義彦
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会

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公開日: 2021-12-27  

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