Photo-excitation process of single semiconductor nano-particle

单个半导体纳米粒子的光激发过程

基本信息

批准号：
21K04810
负责人：
齊藤結花
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Gakushuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体ナノ粒子の中でもワイドギャップ半導体材料は、発光素子や高効率な太陽電池への応用も期待されている。量子ドット以上の大きさのナノ粒子には個体差があるため、試料の集団平均を測定するかわりに"単一ナノ粒子"を観測することで、よりシャープで的確な物性測定ができる。単一ナノ粒子の電子状態はこれまでにも研究されているが、その知見は主に可視域の分光に限られている。本研究では走査プローブ顕微鏡加え、これまで当研究室で開発してきた紫外散乱分光およびフォトルミネッセンス分光の技術を駆使して、個々の半導体ナノ粒子の形状および電子状態の個性を明らかにすることを目的としている。フォトルミネッセンスは冷却すると格子振動の影響が抑えられ、スペクトルの感度が向上することがわかっている。本年度は室温から77kまで冷却することのできる試料セルを導入して、低温測定を実施した。酸化亜鉛（ZnO）単一ナノ粒子および単一凝集体について、個々のナノ粒子の紫外フォトルミネッセンススペクトルを取得した。ZnOナノ粒子の発光は、エキシトン由来の発光と欠陥構造に由来する発光が観測された。室温測定に比べて低温測定では、粒子の発光スペクトルの違いはより顕著に現れた。とくに束縛励起子、自由励起子及びドナーアクセプター遷移の強度比はいくつかのパターンに分類されることが分かった。これは個々のナノ粒子を構成する結晶面、また欠陥分布の違いに由来すると考えられる。

在半导体纳米粒子中，宽禁带半导体材料也有望应用于发光器件和高效太阳能电池。由于比量子点更大的纳米颗粒存在个体差异，因此通过观察“单个纳米颗粒”而不是测量样品的集体平均值，可以对物理特性进行更清晰、更准确的测量。过去已经研究过单个纳米粒子的电子态，但知识主要限于可见光范围内的光谱学。在这项研究中，除了扫描探针显微镜之外，我们的目标是充分利用我们实验室开发的紫外散射光谱和光致发光光谱技术来阐明单个半导体纳米粒子的形状和电子状态的独特性。众所周知，冷却光致发光可以抑制晶格振动的影响并提高光谱灵敏度。今年，我们推出了可以从室温冷却到77K的样品池，以进行低温测量。获得了氧化锌（ZnO）单个纳米粒子和单个聚集体的单个纳米粒子的紫外光致发光光谱。关于ZnO纳米颗粒的发光，观察到来自激子的发光和来自缺陷结构的发光。低温测量中粒子发射光谱的差异比室温测量中更明显。特别地，发现束缚激子、自由激子和供体-受体跃迁的强度比可以分为几种模式。这被认为是由于构成单个纳米粒子的晶面和缺陷分布的差异造成的。