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光触媒材料中の見えない光生成キャリアを可視化する方法を開発 ~AIによる顕微画像からの情報抽出~

 中央大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2020年8月7日,JST 戦略的創造研究推進事業において,中央大学の片山 建二 教授が,ナノ秒の時間分解能を持つ位相差顕微鏡を開発し,統計的データ解析手法である画像回復の方法と組み合わせることで,光触媒などに頻繁に用いられる無機系半導体微粒子で構成する薄膜材料中の光生成キャリア(電子やホール)を可視化することに成功した,と発表した.本成果は,JST戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)研究領域:「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」研究課題名:「変調光誘起位相差顕微鏡による光生成キャリア寿命・移動物性評価法」によって得られ,本研究成果は米国物理学協会刊行Journal of Chemical Physics誌で公開された(注).

 太陽光は再生可能エネルギーとして最も期待されるものの一つである.太陽電池は電気エネルギーに変換し,光触媒によって化学エネルギーに変換されて,有害物質除去や水分解を可能にする.これらの太陽光デバイスでは,光照射によって生成された光励起キャリアが界面を通して外部に電流として取り出され,酸化・還元反応に用いられる.ところが,キャリアが励起される場所からエネルギーに変換される場所まで移動する途中に結晶欠陥が存在すると,そこにキャリアが捕獲されたり,電子とホールが再結合・消滅し,キャリアは失活してしまう.光触媒には,酸化チタン(TiO2)などの半導体材料が多孔性の基板に塗布されたものが多く,失活の中心となる局所的な構造欠陥を含む.このためキャリアの失活過程を直接観測,制御する必要があるが,従来は材料全体の平均的な挙動の観測に止まっていた.

 そこで研究グループは,粒子状薄膜にパターン光を照射して生じる屈折率分布の時間変化を画像化することによりキャリアの挙動を観測することを試みた.ポンプ光(波長355nm)とプローブ光(同532nm)の光源を持った位相差顕微鏡を独自に開発し,二つの5nsパルスレーザー光を精密に制御して屈折率画像をCMOSカメラで検出することにより高時間分解能イメージングを可能にした.ここでポンプ光を,MEMS(微小電子機械システム)技術で作られるデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)により空間パターン光とする.プローブ光で捉えられた屈折率画像は,主成分分析や周波数成分のスパース性を利用した画像回復処理によって,S/N比を改善する.さらに,天気予報で用いられるデータ同化の手法を転用し,局所のキャリアの動きをモデル化することによりキャリアの物性値(拡散係数と減衰率)マッピングを可能にした.

 開発した測定系は,TiO2ナノ粒子薄膜に適用して機能を確認した.周期~15μm正方形格子配列の直径5μm点状パターンの励起光を照射し,100ns後から10μsまでの屈折率画像を記録・追跡したところ,光キャリアの生成,緩和により点状パターンが変化して行く状況を観測できた.

 今後,光触媒・太陽光水分解・太陽電池などの材料中のキャリア物性の判定に用いることが能であり,高効率太陽光デバイス開発につながるものと期待している.

(注)Kenji Katayama, "Photo-excited charge carrier imaging by time-resolved pattern illumination phase microscopy", Journal of Chemical Physics, Vol. 153, p. 054201 (2020), DOI: 10.1063/5.0009312; Published Online: 07 August 2020