赤外光を電気エネルギーや信号に変換する無色透明な材料の開発に成功

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見えない電子デバイスの開発へ道

2019-02-13  京都大学

坂本雅典 化学研究所准教授、寺西 利治 同教授、山方啓 豊田工業大学准教授、古部昭広 徳島大学教授、松﨑弘幸 国立研究開発法人産業技術総合研究所主任研究員らの共同研究グループは、赤外光を電気エネルギーや信号に変換することのできる無色透明な材料の開発に成功しました。

本研究グループは、赤外域に局在表面プラズモン共鳴(LSPR : Localized Surface Plasmon Resonance)を示す無機ナノ粒子を用いて、赤外光を電気エネルギーや信号に変換することのできる無色透明な材料の開発を行いました。赤外域にLSPRを示すスズドープ酸化インジウムナノ粒子を光吸収材に応用することで、透明性(可視域の透過率95%以上)と高い赤外光誘起電子移動効率(電荷注入効率33%)を両立することに成功しました。また、本材料は1,400から4,000 ナノメートルという近赤外域から中赤外域の光に応答することが明らかになっています。

本研究成果は、目に見えない太陽電池、通信機器、光学センサーなどの最先端デバイスの開発への応用が期待されます。

本研究成果は、2019年1月24日に、国際学術誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載されました。

図:本研究で合成したスズドープ酸化インジウムナノ粒子

詳しい研究内容について

赤外光を電気エネルギーや信号に変換する無色透明な材料の開発に成功
―見えない電子デバイスの開発へ道―
概要

京都大学化学研究所 坂本雅典 准教授、寺西 利治 同教授、豊田工業大学 山方啓 准教授、徳島大学 古部 昭広 教授、国立研究開発法人産業技術総合研究所 松﨑弘幸 主任研究員らの共同研究グループは、赤外光を 電気エネルギーや信号に変換することのできる無色透明な材料の開発に成功しました。 光を信号やエネルギーに変換することができる無色透明な材料は、例えば、透明性を利用した不可視の通信 デバイスや、センサー、太陽電池といった先端技術を実現するキーテクノロジーとして多くの注目を集めてい ます。紫外域の光を用いれば、無色透明でありながら光をエネルギーや信号に変換できる材料を作ることはで きますが、紫外光は通信、エネルギー変換に向いていないため、長波長で不可視の光である赤外光を電気エネ ルギーや信号に変換することのできる材料の開発が強く求められていました。
今回、本研究グループは、赤外域に局在表面プラズモン共鳴( LSPR : Localized Surface Plasmon Resonance) 注1を示す無機ナノ粒子を用いて、赤外光を電気エネルギーや信号に変換することのできる無色透明な材料の 開発を行いました。赤外域に LSPR を示すスズドープ酸化インジウムナノ粒子を光吸収材に応用することで、 透明性 (可視域の透過率 95%以上)と高い赤外光誘起電子移動効率 (電荷注入効率 33%)を両立することに 成功しました。また、本材料は 1,400–4,000 ナノメートルという近赤外域から中赤外域の光に応答することが 明らかになっています。本成果は、目に見えない太陽電池、通信機器、光学センサーなどの最先端デバイスの 開発への応用が期待されます。
本研究成果は、2019 年 1 月 24 日に国際学術誌 「Nature Communications」にオンライン掲載されました。
本研究で合成したスズドープ酸化インジウムナノ粒子1.背景
無色透明な材料における光誘起電子移動の実現は、目に見えない通信デバイスやセンサー、太陽電池といっ たといった先端技術を実現するキーテクノロジーとして注目を集めています。紫外域の光を用いれば無色透明 でありながら光を電気信号やエネルギーに変えることのできる材料を作ることはできますが、紫外光は通信、 太陽光のエネルギー変換に向いていないため、長波長で不可視の光である赤外光を電気エネルギーや信号に変 換することのできる新しい材料の開発が強く求められていました。2.研究手法・成果
今回、本研究グループは、赤外域に局在表面プラズモン共鳴 (LSPR : Localized Surface Plasmon Resonance) を示す無機ナノ粒子を用いて、赤外光を電気エネルギーや信号に変換することのできる無色透明な材料の開発 を行いました。スズドープ酸化インジウムナノ粒子のナノ粒子は赤外域に LSPR を持ち、またドーピング量を 制御することによって吸収波長を制御することが可能です。本研究では、スズドープ酸化インジウムナノ粒子 を光捕集材、酸化スズを電子アクセプターとして利用することで、今まで実現が困難であった赤外光による電 子移動と透明性の両立を目指しました。
スズドープ酸化インジウムナノ粒子は、京都大学化学研究所で開発した方法に基づいて合成しました( 図 1)。 スズドープ酸化インジウムナノ粒子は、ドープ( 微量な添加物を混ぜること)により生じた自由電子の集団振 動に由来する LSPR を赤外域に示します(図 2)。また、ガラス基板上に製膜したスズドープ酸化インジウムナ ノ粒子は可視域の透過率が 95%であり、赤外域に強い吸収を持つ無色透明な材料であることが分かりました。 スズドープ酸化インジウムナノ粒子を電子アクセプターである酸化物担体 酸化チタン、酸化スズ、シリカ) に担持した後、焼結により酸化物担体との結合を形成しました。
スズドープ酸化インジウムナノ粒子/酸化物担体の界面におけるプラズモン誘起電荷移動注2を、時間分解過渡吸収スペクトル測定注3により観測しました。1700 ナノメートル (nm ナノは 10 億分の 1)の波長のレー ザーを用いて、スズドープ酸化インジウムナノ粒子の LSPR を励起し、酸化物の導電帯の電子に由来する吸収 を観察すると、酸化チタン、酸化スズにおいては特徴的な吸収スペクトルを赤外域に観測することに成功しま した (図 3)。これは、LSPR の励起によってスズドープ酸化インジウムナノ粒子から酸化チタン、酸化スズに ホットキャリアが注入されていることを示しています。これに対して、絶縁体であるシリカにおいては、電荷 注入は観測できませんでした。また、吸収スペクトルの強度から見積もった電荷注入効率は、酸化チタンに対 して 0.11%であったのに対して、酸化スズに対しては 33%と大幅に増大が見られました。これは、アクセプ ターとして働く酸化物担体の伝導帯の位置が、電荷注入効率を左右する重要な要素であることを示唆していま す。さらに、スズのドープ量を変化させてスズドープ酸化インジウムナノ粒子の LSPR を 4000 ナノメートル 近傍まで長波長側にシフトさせた場合も、LSPR の励起による電荷分離を観測することができました。
スズドープ酸化インジウムナノ粒子を担持した酸化スズをタングステン基板上に焼結担持して光電極を作 成し、赤外光照射下での光電流を測定すると、スズドープ酸化インジウムナノ粒子の LSPR を再現する形で光 電流のアクションスペクトルが得られました( 図 4a,b)。これは、スズドープ酸化インジウムナノ粒子の LSPR を励起する事によって生じたホットキャリアが酸化スズに注入されていることが示唆しています。この光電極 は 2500 ナノメートル付近までの赤外光の照射に応答して光電流を示し、我々の作成した光電極が中赤外域近 傍までの光に対して応答することが明らかになりました 図 4c,d)。これらの実験結果は、今回の材料が、無 色透明でありながら近赤外‐中赤外領域の光を信号やエネルギーに変換することのできる材料として、透明な 太陽電池、目に見えないセンサーなどの最先端電子デバイスへの応用が可能です。

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