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2014 年度 実施状況報告書

高効率光電変換素子実現を目指した多元系硫化物ナノ粒子合成とその接合技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 25420785
研究機関室蘭工業大学

研究代表者

葛谷 俊博  室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00424945)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードカルコパイライト / 複合ナノ粒子 / コアシェル
研究実績の概要

量子ドットに貴金属ナノ粒子を組み合わすことで酸化物多孔質基板に対する吸着性の向上を目指し、I-III-VI2族半導体と貴金属からなる複合ナノ粒子の合成に取り組んでいる。本年度はAgナノ粒子とCuInS2複合ナノ粒子の合成とその構造制御を中心に検討を行った。
以下の二通りの方法でAg-CuInS2複合ナノ粒子の合成を試みた。① Ag、CuおよびInのチオール錯体を高還元性のトリオクチルアミン溶液中で加熱分解する。② Ag、CuとIn錯体混合物を加熱分解することでAg合金ナノ粒子を合成した後に、ドデカンチオールを加え加熱硫化する。
①、②の方法で得られた生成物をTEMにより観察した結果、合成法①ではコントラストの強い粒子と弱い粒子がペアになった複合ナノ粒子が、②ではコントラストの強い粒子をコントラストの弱い層が覆ったコアシェル型複合ナノ粒子が生じているのがわかった。HRTEM像およびSTEM-EDXの分析結果よりコントラストの強い部分は主にAgが主成分であり、コントラストの弱い部分はCu1-xAgxInS2であった。この結果より、合成法①、②共にAgを主成分とする金属ナノ粒子からカルコパイライト相が成長していくものと考えられる。複合ナノ粒子の形態およびカルコパイライト相の組成は共存する配位子に大きく影響を受け、合成法②の場合コアシェルナノ粒子の成長にはオレイン酸が大きく影響すると考えられる。
①、②の方法で得られた複合ナノ粒子のUV-vis測定の結果、合成法にかかわらずAgナノ粒子の局在プラズモン共鳴に起因すると考えられる強い吸収ピークが見られ、ピーク位置はペア型、コアシェル型の順に低エネルギー側にシフトしていく。これはAgナノ粒子が誘電率の大きいCuInS2シェルに覆われる割合がペア型<コアシェル型の順に増えるためだと考えられる。

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

本年度は、“カチオン交換法”を駆使し結晶系の制御およびカチオンオーダリング制御について検討を行った。Cu2-xSナノ粒子をカチオン交換によりCuInS2ナノ粒子に転化出来ることを確認している。カチオン交換法により多元系ナノ粒子の合成を行ったところ、交換後の結晶構造は種粒子の構造に依存していることを見いだした。ただし、カチオンオーダリングについてはその構造の差異によるエネルギー変化が小さいため困難であると考えられる。
光電変換素子構築に必要な金属・半導体複合ナノ粒子の合成においては、各金属とチオール基の親和性の違いを利用しAgナノ粒子とカルコパイライト系ナノ粒子の複合化に成功した。また、Ag・Cu2-xSナノ粒子を合成後にカチオン交換によりAg・カルコパイライトナノ粒子に転化する実験を行い、特異な形態のAg・CuInS2複合ナノ粒子を合成した。以上の検討により、界面活性剤を変えることでAgナノ粒子がむき出しになった状態と誘電体である半導体に覆われた状態を作り分けることが可能となった。また形状によってはバイアル瓶壁面に付着する様子も観察されることから、次年度に続く光電変換素子の構築に際して、リンク剤を使用することなく、TiO2多孔質体を染色することが可能であると考えられる。

今後の研究の推進方策

有機色素に代わり半導体ナノ粒子を無機色素として導入する。Agナノ粒子(I族ナノ粒子)を色素の官能基(吸着に関わる基)と見なすことができるAg/多元系硫化物複合ナノ粒子の合成に取り組む。界面活性剤を変えることで複合構造の制御を試みたい。この複合ナノ粒子はAg側をTiO2に向け吸着すると考えられる。分散媒を変化させて複合ナノ粒子の吸着性について検討を行う。以上の検討結果を踏まえ、複合ナノ粒子の持つ自己組織化作用を利用し光電変換素子を作成する。電解液としてヨウ素系および硫黄系について検討を行う予定である。変換効率の波長依存性について検討すると共に、電荷の移動機構について分光学的な側面から検討を行う。

次年度使用額が生じた理由

人件費・謝金の使用がなかったため。

次年度使用額の使用計画

什器の購入に充当する予定である。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (7件)

  • [雑誌論文] Enhancement of donor-acceptor pair emissions in colloidal AgInS2 quantum dots with high concentrations of defects2014

    • 著者名/発表者名
      Hamanaka, Y., Ozawa, K., Kuzuya, T.
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry C

      巻: C118 ページ: 14562-14568

    • DOI

      10.1021/jp501429f

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] CuInS2ナノ粒子の発光特性2015

    • 著者名/発表者名
      浅見祐至,濱中泰,葛谷俊博
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学 (東京都新宿区)
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] CuxSナノ粒子の局在表面プラズモン光学特性II2015

    • 著者名/発表者名
      廣瀬達徳,山田薫,濱中泰,葛谷俊博
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学 (東京都新宿区)
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] カルコパイライト系ナノ粒子の合成2015

    • 著者名/発表者名
      葛谷 俊博
    • 学会等名
      分子・物質合成プラットフォーム平成26年度シンポジウム
    • 発表場所
      名古屋大学 (愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-03-05 – 2015-03-06
  • [学会発表] AgInS2量子ドットを担持した酸化チタン薄膜の電子移動特性2014

    • 著者名/発表者名
      松本顕至,桑田貴彦,濱中泰,葛谷俊博
    • 学会等名
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学 (北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [学会発表] CuxSナノ粒子の局在表面プラズモン光学特性2014

    • 著者名/発表者名
      廣瀬達徳,山田薫,濱中泰,葛谷俊博
    • 学会等名
      日本物理学会 2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学 (愛知県春日井市)
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] CuxIn1-xS2ナノ粒子の発光特性2014

    • 著者名/発表者名
      浅見祐至,行時大地,濱中泰,葛谷俊博
    • 学会等名
      日本物理学会 2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学 (愛知県春日井市)
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] Photoluminescence Enhancement in AgInS2 Nanocrystals with High Concentrations of Donor-Acceptor Type Defects2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Hamanaka, K. Ozawa, T. Kuzuya
    • 学会等名
      第17回凝縮系のルミネッセンスと光学分光に関する国際会議
    • 発表場所
      University of Wroclaw, Wroclaw, Poland
    • 年月日
      2014-07-13 – 2014-07-18

URL: 

公開日: 2016-05-27  

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