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有機-無機ハイブリッドのキラル結晶薄膜によりフィルターなしで円偏光の高感度検出 ~応力など物体表面の可視化技術として期待~

 国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)と桐蔭横浜大学は2020年11月12日,JST戦略的創造研究推進事業において,JSTの石井 あゆみ さきがけ専任研究者(桐蔭横浜大学 大学院工学研究科 特任講師)らが,鉛ペロブスカイト系化合物に鏡像の重なり合わない構造の有機キラル分子を導入した結晶薄膜により,フィルターなしで円偏光を検出するフォトダイオードを開発した,と発表した.これまで可視化できなかった物体の情報や応力の認識など,新しいセンシング技術としてさまざまな可能性が期待されるという.本研究成果は,国際科学誌Science Advancesで公開された(注).

 光は,電磁界が進行方向に垂直な面内で振動しながら伝搬する波動である.光の性質には,人間の目で識別される明るさ(強度)や色(波長)に加えて,偏光(振動方向)がある.人の目では捉えられない偏光を検出すれば,特定の方向に振動する直線偏光により,物体表面の傷,異物,ゆがみなどを可視化でき,偏光した光が左右に回転する円偏光を検出すると,応力の強度や分布も識別できる.このため,偏光イメージセンサーが開発・市販されているが,偏光方向が異なる4つの偏光子のフォトダイオードの積層構造で,アレイの中で入射光と偏光方向の一致する偏光子ひとつを透過した直線偏光の信号だけ検出するため,検出光の強度が1/4となって,検出感度や偏光消光比の低下などが起こる.円偏光の検出ではフィルターに波長板を加えるため感度がさらに下がってしまう.一方,光学活性のある有機キラル分子は円偏光の左右の回転方向を識別する能力「円偏光二色性(CD)」を持つが,吸収した光のうち0.1%程度しか左右円偏光の差として認識できないため,偏光を検出するには感度が不十分であった.

 そこで,鉛ペロブスカイト系化合物からなる鎖状化合物に有機キラル分子を導入し,系全体にキラル配向構造を誘起した光導電性結晶薄膜を作製した.無機材料のハロゲン化鉛は,有機カチオンと反応させると1次元から3次元のペロブスカイト系化合物を形成し,無機・有機ハイブリッドで柔軟性ある材料となる.本研究では,キラル部位を持つR-(+)-またはS-(-)-1-(1-ナフチル)エチルアミンを有機カチオンに用い,ヨウ化鉛(PbI2)と反応させ,1次元鎖状構造のペロブスカイト系化合物からなる2種類の薄膜を作製した.本1次元化合物内で,鎖状(PbI6)4-の螺旋性はキラル有機カチオンによって増強され,波長395nmにおいてR体キラル結晶薄膜では+3,000mdeg,S体キラル結晶薄膜では-3,200mdegの円偏光二色性信号が観測された.

 この強い円偏光二色性信号を有する1次元鎖状構造の薄膜を用い,フォトダイオードを作製したところ,光電流によって右回り円偏光と左回り円偏光を区別でき,その検出感度比は25.4と,従来のキラルプラズモニックメタマテリアルと有機材料を用いたフィルターレス円偏光検出素子における4以下を超え,世界最高値を達成できた.

 本成果により,偏光をフィルターなしで検出でき,偏光検出の高感度化や装置の小型化が可能になる.物体表面の情報や応力の認識などの新しいセンシング技術の展開を期待している.

(注)A. Ishii1, and T. Miyasaka, "Direct detection of circular polarized light in helical 1D perovskite-based photodiode", Science Advances 11 Nov 2020: Vol.6, no.46, eabd3274, DOI: 10.1126/sciadv.abd3274