京都大、半導体ナノ粒子が光を電子へ変換する過程を解明

京大 化研の田原助教、金光教授らの研究グループは、半導体ナノ粒子が光を電子へ変換する過程を明らかにした。

直径5~6ナノメートルの半導体ナノ粒子にレーザーパルス光を照射することで、光を吸収したナノ粒子内部の多数の電子が、量子力学的な相互作用により「特殊な状態」を作り出していることを初めて発見した。

半導体ナノ粒子が光を電子へ変換する過程を解明
-高効率な太陽電池や光検出器への基礎メカニズム-

   2017.12.14 京都大学プレスリリース

半導体ナノ粒子のなかでも、粒子径が小さな10nm以下の半導体ナノ粒子は、量子ドットとして知られています。

量子ドットは、電子状態を粒子の大きさで制御することができるため、材料の組成が同じでも、半導体ナノ粒子のサイズを変えるだけで発光波長や吸収波長を変えることができます。

また、ナノ粒子のサイズが一定の場合、量子ドットは非常にシャープな発光波長スペクトルを示すため、最近では色再現性の高い高性能なディスプレイに実用化され始めています。

また、量子ドットは、一つの光子から多数の電子や正孔を生みだすことができる(マルチエキシトン効果)ため、光―電子変換の点でも優れた部材として期待されています。例えば、太陽電池の高効率化や、照明の高輝度化などに、近い将来量子ドットが応用されていくでしょう。

そのためには、マルチエキシトン効果のメカニズムを詳細に解明する必要があります。これまでにマルチエキシトン発生の経緯は明らかにされつつありますが、マルチエキシトン発生直後の挙動についてはわかっていませんでした。

今回、京都大学のグループは、マルチエキシトン生成後の挙動について、照射レーザーに対するコヒーレント状態を作り出していることを初めて明らかにしました。

この発見は、マルチエキシトンが持つ光-多電子変換過程の全容を解明するうえでの重要な発見で、今後、量子ドットを利用した高効率な太陽電池や光検出器の実用化加速につながると期待しています。

量子ドットの応用例

太陽電池やディスプレイ、照明などの高輝度発光材料、光検出器などへの応用が期待されている。