新たな冷却方法やエネルギー輸送の実現に期待~高効率なアンチストークス発光を示す半導体複合ナノ構造材料を発見~

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2022-04-20 京都大学

金光義彦 化学研究所教授、梶野祐人 千葉大学理学研究院特任研究員(現・九州大学先導物質化学研究所学術研究員)、山田泰裕 同准教授、小島一信 大阪大学工学研究科教授らの共同研究グループは、半導体のCs4PbBr6結晶内部に埋め込まれたCsPbBr3ナノ構造から高効率なアンチストークス発光※1を観測することに成功しました。高効率なアンチストークス発光は、光を照射することで半導体の温度を下げる「半導体光学冷却※2」の実現の道を拓くものであり、冷媒やコンプレッサーを使わない「無振動無冷媒」冷却の実現や、熱を光に変換して輸送するような新しいエネルギー利用も期待できます。

本研究成果は、米国物理学会の国際学術誌 Physical Review Materials に2022年4月14日に掲載されました。

※1 半導体に一定以上の高いエネルギーをもつ光を入射すると、半導体中の電子は光を吸収して高いエネルギーの状態をとり、それが元に戻るときに光を放出し、これを発光と呼ぶ。入力光のエネルギーよりも高いエネルギーの発光をアンチストークス発光と呼ぶ。

※2 アンチストークス発光を使って物質を冷やす冷却手法。1929年にPringsheimによって提唱されたものの、長らく実現されていなかったが、近年希土類イオンを結晶やガラスに分散させた材料で光学冷却は実現されている。一方、半導体光学冷却についての報告はあるものの、その成否については多くの議論がなされている。


図 アンチストークス発光の原理。半導体に一定以上のエネルギーの光を照射すると、電子がエネルギーを吸収して高エネルギー状態(励起状態)になり、これが元の状態(基底状態)に戻るときに放出する光を発光と呼びます。光が吸収されるギリギリのエネルギーの光で半導体を励起すると、電子がフォノン(熱エネルギー)を吸収することで、励起光より高いエネルギーの発光(=アンチストークス発光)が生じることがあります。このためには、電子とフォノンの相互作用がある程度強いことが必要です。

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研究者情報
研究者名:金光 義彦

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