半導体ナノ構造体を用いた高機能フォトクロミック材料の創出

利用半导体纳米结构创建高功能光致变色材料

• 批准号: 21K05012
• 负责人: 小林 洋一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Ritsumeikan 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05012/
• 关键词: 半導体; ナノ結晶; フォトクロミズム; 電荷分離; 温度依存性; 電子移動; 半導体; ナノ結晶; フォトクロミズム; 電荷分離; 温度依存性; 電子移動

CuドープZnSナノ結晶のフォトクロミズムの課題は、着色が有機フォトクロミック分子と比べて弱いことである。これは、粒子間のホッピングの前に電荷再結合する成分があること、また着色の起源であるZnSの価電子帯からCu2+への遷移のモル吸収係数が有機分子のものと比べて小さいことが挙げられる。よって、電荷分離を効率的に起こし、生成する電荷分離種の可視領域の振動子強度をより高めるための材料設計を基に研究を行った。　2022年度（2年目）は、ナノ結晶をZnSからZnO, Ag2Sなどの化合物半導体へと拡張し、それらのフォトクロミック特性や光励誘起電荷分離過程を明らかにした。得られた知見の概要を示す。① メルカプトプロピオン酸でキャップしたZnOナノ結晶粉末が紫外光照射により近赤外領域全体に吸収を生じ、照射後元に戻るフォトクロミズムを示すことを明らかにした。ZnOナノ結晶のフォトクロミック反応はこれまでにも知られていた一方、湿潤空気下でもフォトクロミック反応を示す例はこれまでになく、ZnOナノ結晶の新しい機能材料の可能性を見出した（Photochem. Photobiol. Sci.2022, 21, 1781-1791.）。② 近赤外領域まで吸収帯を有し、極めて低毒性のAg2Sナノ結晶に可視光応答性色素であるペリレンビスイミドを配位させた複合ナノ材料を合成し、その光誘起電荷分離挙動を明らかにした。これまでナノ結晶の電荷分離を形成するためには紫外光や可視光を用いる必要があった一方、本材料では720 nmの近赤外光で励起しても電荷分離に由来するペリレンビスイミドのラジカルアニオンのシグナルが瞬時に生成した。Ag2Sナノ結晶高励起状態、または量子サイズ効果が強く表れた小さなナノ結晶からペリレンビスイミドの最低空軌道に高速な電子移動が起きていることが示唆された（ECS J. Solid State Sci. Technol.2022, 11, 101001.）。

Cu掺杂的ZnS纳米晶体的光更色变色的挑战在于，着色比有机光致变色分子弱。这可以归因于在颗粒之间跳跃之前重新组合电荷的组件的存在，以及从颜色以颜色为Zns的Valence带向Cu2+的摩尔吸收系数，其起源于有机分子的摩尔吸收系数。因此，根据材料设计进行了研究，以有效地产生电荷分离并进一步提高生成电荷分离物种的可见区域的振动器强度。在2022财政年度（第二年），纳米晶体从Zns扩展到ZnO和AG2等复合半导体，揭示了它们的光更感染性能和光激发电荷分离过程。提出了获得的知识的概述。 1）据透露，腹丙酸覆盖的ZnO纳米晶粉通过紫外线吸收了整个近红外区域，并显示了一种光更色变色，该光更色变色在辐照后返回其原始状态。虽然迄今已知ZnO纳米晶体的光致变色反应，但即使在潮湿的空气下，也从未有任何光致变色反应的例子，并且发现Zno纳米晶体具有新的功能材料的可能性（Photobiol。photobiol。photobiol。photobiol。Sci.2022，2122，21，21，21，1781-1781-1791。）。 2）复合纳米材料，其中具有吸收带至近红外区域的吸收带，并与Perylenebisimide（一种可见的轻响应性染料）协调，并阐明了光诱导的电荷分离行为。到目前为止，已经需要紫外线和可见光来形成纳米晶体的电荷分离，但是即使在720 nm的近红外光激发时，这种材料也会立即产生。已经提出，高速电子转移发生在AG2S纳米晶体的pery甲基酰亚胺的最低空轨道中，或具有强量子尺寸效应的小纳米晶体（ECS J.固态Sci。2022，2022，11，11，101001）。