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無機ナノらせんと無機ナノ発光体を組み合わせて高輝度円偏光発光を実現 ~植物育成や太陽光発電のための光変換フィルムに向けた基盤技術として期待

 京都大学は2020年9月18日,同大学大学院エネルギー科学研究科のPeizhao LIU博士課程学生,岡崎 豊助教,佐川 尚教授,およびCNRS-University of Bordeaux(フランス)の小田 玲子リサーチディレクターらの研究グループが,量子ドットで作ったスパイラル配列構造が,らせんの巻方向に応じた円偏光発光(CPL)を発現することを明らかにした,と発表した.本研究は,京都大学の国際共同研究支援事業のもと,独立行政法人日本学術振興会の海外特別研究員制度などの支援を受けて行われ,成果は米国化学会刊行Nano Letters誌にオンライン掲載された(注).

 円偏光には,光の進行方向に対する電場ベクトルの回転方向により,右巻きと左巻きというキラリティがある.近年では,円偏光照射の植物成長速度や太陽電池変換効率への影響も報告され,自然光の円偏光への変換材料に関心が高まっているが,自然光を直線偏光板と位相差板を通して円偏光に変換するとエネルギー損失が多くなる.これらを使わず直接CPLを示す材料には,キラルな有機化合物を使う例が知られており,最近では安定性に優れるキラルな無機透明材料の研究も進められている.本研究において,研究グループは,キラルな無機ナノ材料と量子ドットを複合化させたCPL材料を開発した.ここで用いられたキラルな無機材料は,キラルな界面活性剤を使った有機ナノらせんを鋳型として造ったsilica nanohelixである.CNRSのsilica nanohelixを,高輝度発光を示す無機材料である,京大の量子ドット(CsPbBr3ペロブスカイトナノ結晶:PNCs)表面にグラフトして複合化し,そのコロイド溶液をガラス板上で乾燥させて透明な円偏光発光性フィルムが得られた.このフィルムは,右巻きsilica nanohelixを使うと左回転のCPL,左巻きsilica nanohelixを使うと右回転のCPLを呈し,円偏光の純度を表す非対称性因子は6×10-3に達した.フィルムで観察されるCPLは,フィルムを形成する前のコロイド溶液では発現せず,また,フィルムを溶剤に浸漬すると消失するが再度乾燥すると復元する.微小角入射X線散乱法(GISAXS)や断層/クライオ電子顕微鏡(EM)による解析で,PNCsの粒子間距離が1~2nm程度以下に接近している固体フィルムではスパイラル配列構造が形成されるが,コロイド溶液や溶剤中では粒子間距離が離れて,配列構造は形成されないことが分かった.結合双極子法(CDM)のシミュレーションにおいても,PNCs粒子間距離が1nmから4nmに離れると円偏光吸収の選択性が10%以下に低下し,CLPの消失を裏付ける結果が得られた.

 本研究で明らかになった現象は,物理的安定性の高い無機材料からなる高輝度CPL材料開発の指針となり,植物育成や太陽光発電の光変換フィルム開発への寄与が期待される.研究グループでは,今後,量子ドットの組成や形状の改良を進めたいとしている.

(注)Peizhao Liu, Wei Chen, Yutaka Okazaki, Yann Battie, Lysiane Brocard, Marion Decossas, Emilie Pouget, Peter Mu¨ller-Buschbaum, Brice Kauffmann, Shaheen Pathan, Takashi Sagawa, and Reiko Oda, "Optically Active Perovskite CsPbBr3 Nanocrystals Helically Arranged on Inorganic Silica Nanohelices", Nano Letters 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02013; Publication Date: September 3, 2020