田原弘量 白眉センター／化学研究所特定准教授、金光義彦 化学研究所教授、坂本雅典 同准教授、寺西利治 同教授の研究グループは、半導体量子ドットを集めて結合させることで現れる新しい協同効果を発見し、その効果を利用して非線形光電流を増大させることに世界で初めて成功しました。
半导体量子ドットはナノメートルサイズの微小な结晶であり、2023年のノーベル化学赏の受赏対象となった材料です。量子ドットの中に电子を闭じ込めることで、量子力学的な効果によって光の吸収や発光の波长を変えることができます。そのため、広い波长范囲の光を吸収して电気を取り出す太阳电池や、好きな色に光らせる発光ダイオードなどの光电デバイスの材料として注目されています。
本研究グループは、たくさんの量子ドットを集めた集合体がどのような物性机能を持つのかを明らかにするために、量子ドット同士を有机分子で结合させた量子ドット膜を作製し、光照射によって量子ドットに作られた电子を电流として取り出す実験を行いました。有机分子の长さを変えながら量子ドット同士の距离を近づけていったところ、量子ドット膜から取り出される非线形光电流が非常に大きくなることを発见しました。レーザーパルス光を使った电子の量子干渉计测を行うことで、集団の量子ドットの中に入った电子が互いに协同的に振る舞うことでこの増大现象が生じることを明らかにしました。非线形な光电流が増大することは、照射した光のエネルギーが物质の中で高いエネルギーに変换されて电流として取り出せることを意味しており、低いエネルギーの光を有効利用した光センサーや太阳电池などの新しい技术につながると期待されます。
本研究成果は、2024年1月31日に、国際学術誌「Nature Nanotechnology」にオンライン掲載されました。
「たくさんの量子ドットを集めたときに、ただ単に数を集めただけになるのか、それともお互いに协力し合った集まりになるのか、と考えたことが本研究のきっかけでした。量子ドットは电子を中に闭じ込める小さな构造ですが、量子ドット同士を结合させた量子ドット膜では、电子を周りに染み出させることができます。この电子の闭じ込めと染み出しを絶妙なバランスで利用したことが本研究の成功の键になりました。
量子ドットをただ単に集めただけでは『乌合の众』になってしまいますが、有机分子を使って手をつなぐようにすると、量子ドット同士がお互いに协力し合って信号を强めるようになりました。手を取り合えば协力して大きな力が生まれるというのは、私たちの生活にもつながることだと思います。発见した量子协同効果は、光エネルギーや电気エネルギーの有効利用に役立つものであり、『ナノ』と『量子』と『光』をキーワードとして次世代デバイスに向けた研究を进めたいと思います。」
【顿翱滨】
【书誌情报】
Hirokazu Tahara, Masanori Sakamoto, Toshiharu Teranishi, Yoshihiko Kanemitsu (2024). Coherent electronic coupling in quantum dot solids induces cooperative enhancement of nonlinear optoelectronic responses. Nature Nanotechnology.
