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赤外光を電気エネルギーや電気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~

 京都大学は2019年2月13日,同大学化学研究所の坂本雅典准教授,寺西利治教授,豊田工業大学の山方啓准教授,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が,赤外光を電気エネルギーや電気信号に変換できる無色透明な材料の開発に成功したと発表した.本研究は独立行政法人日本学術振興会の科学研究費助成事業,文部科学省委託事業ナノテクノロジープラトフォーム等の支援により実施され,成果は英国の科学誌Nature Communicationsに掲載された(注).

 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,太陽電池などへの応用が期待される.紫外域の光を用いれば無色透明でありながら光を電気エネルギーや電気信号に変える材料は作れるが,紫外光は通信や太陽光のエネルギー変換には向いてない.そこで,赤外光を電気エネルギーや電気信号に変換できる新しい材料の開発が求められていた.

 この課題に対し本研究グループは,局在表面プラズモン共鳴(LSPR : Localized Surface Plasmon Resonance)による赤外光吸収を示す無機ナノ粒子に着目した.京都大学化学研究所で合成したスズ(Sn)ドープ酸化インジウム(ITO:Indium Tin Oxide)のナノ粒子は,微量な添加物をドープすることにより生じた自由電子の集団振動に由来するLSPR吸収を赤外域(波長1700nm)に示す.ガラス基板上に製膜したITOは,可視域の透過率が95%で,無色透明な材料である.ITOナノ粒子を光捕集材,酸化スズ(SnO2)を電子アクセプターとすることで,赤外光による電子移動と透明性を両立させた.

 ITOナノ粒子/SnO2界面におけるプラズモン誘起電荷移動を,時間分解過渡吸収スペクトル測定により観測した.波長1700nmのレーザーでITOナノ粒子のLSPRを励起し,SnO2の導電帯電子に由来する赤外域吸収スペクトルを観測した.この観測結果は,ITOナノ粒子からSnO2にホットキャリアが注入されていることを示し,電荷注入効率は33%と見積もられた.さらに,Snのドープ量を変化させてITOナノ粒子のLSPRを4000nm近傍まで長波長側にシフトさせても,LSPRの励起による電荷分離を観測した.

 ITOナノ粒子を担持したSnO2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,ITOナノ粒子のLSPRを再現する形で光電流の生成効率波長依存性が得られた.この光電極は,2500nm付近までの赤外光の照射に応答して光電流を示した.これらの実験結果から,今回開発した材料は,無色透明でありながら近赤外‐中赤外領域の光を電気信号やエネルギーに変換できる材料であることを確認した.

 今回の研究成果は,目に見えないセンサーや,透明な通信機器,透明太陽電池などの光エネルギー変換材料の開発につながると期待される.今後は,電荷注入効率の更なる性能向上とともに,透明な電子デバイスへの応用を目指して材料開発を進める,としている.

(注)Masanori Sakamoto, Tokuhisa Kawawaki, Masato Kimura, Junie Jhon M. Vequizo, Hironori Matsunaga, Chandana Sampath Kumara Ranasinghe, Akira Yamakata, Hiroyuki Matsuzaki, Akihiro Furube & Toshiharu Teranishi, "Clear and transparent nanocrystals for infrared-responsive carrier transfer". Nature Communications, Vol. 10, Article number: 406 (2019), Published 24 January 2019, DOI: 10.1038/s41467-018-08226-2