ワイドレンジ時間領域における二酸化チタンの光励起キャリアダイナミクスの観測

宽时间范围内二氧化钛中光激发载流子动力学的观察

基本信息

批准号：
19K03690
负责人：
欅田英之
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Sophia University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、光触媒材料として広く普及している二酸化チタンの光励起キャリアの挙動を明らかにすることにある。特に、異なる構造に対するキャリアダイナミクスの違いに焦点を当て、光触媒活性にどのような影響を与えるかを解明する。従来の「化学的」研究では考慮されてこなかった、「光物性」的な見方、すなわちアナターゼ構造のみ励起子の自己束縛化が起きるといった、光励起キャリアのふるまいの違いに着目する。ポンプ・プローブ測定で得られる結果に対して化学的手法を用いてトラップ正孔とそれ以外の信号を分離し、光物性の観点から、低温下での測定や時間分解発光を行う。さらに、光物性の重要な課題である励起子の自己束縛過程を明らかにする。我々はこれまでフェムト秒パルスによる紫外ポンプ・白色プローブ測定系を用いて、アナターゼ及びルチル二酸化チタンの光励起キャリアのふるまいを観測してきた。しかしながら、より長時間領域での報告と異なる結果が得られており、同一試料で幅広い時間領域の測定が必要となっていた。2019年度はこれまでより長い時間領域におけるポンプ・プローブ測定系の構築を行ったが、測定できる波長範囲が可視領域に限られていた。そのため、検出できるキャリアはアナターゼ薄膜におけるトラップ正孔のみであった。そこで、2020年度はこの時間領域における測定可能な波長範囲を近赤外まで広げるために、別の光源を用いてポンプ・プローブ信号の評価を行った。しかし光源の強度揺らぎや遅延時間の揺らぎが大きく、この手法における信号測定には至らなかった。以上のような経緯で2021年度から白色光源の強度揺らぎや遅延時間揺らぎの影響を受けない測定手法の開発を行ってきたが、2022年度になってサブマイクロ秒領域での測定にようやく成功した。

本研究的目的是阐明二氧化钛中光激发载流子的行为，二氧化钛被广泛用作光催化材料。特别是，我们将重点关注不同结构的载流子动力学差异，并阐明它们如何影响光催化活性。我们将重点关注光激发载流子行为的差异，例如常规“化学”研究中未考虑到的“光物理”视角，例如仅在锐钛矿结构中激子的自结合。我们利用化学方法从泵浦探针测量结果中分离出俘获空穴和其他信号，并从光学性质的角度进行低温和时间分辨发光的测量。此外，我们还将阐明激子的自结合过程，这是光学物理中的一个重要问题。到目前为止，我们已经使用飞秒脉冲的紫外泵/白色探针测量系统观察了锐钛矿和金红石二氧化钛中光激发载流子的行为。然而，从较长时间段的报告中获得了不同的结果，因此有必要使用同一样本来测量更广泛的时间范围。 2019年，我们构建了比以前更长时域的泵浦探针测量系统，但可测量的波长范围仅限于可见光区域。因此，唯一可以检测到的载流子是锐钛矿薄膜中捕获的空穴。因此，在2020年，我们使用另一个光源评估泵浦探测信号，以便将该时域中的可测量波长范围扩展到近红外。然而，光源的强度波动和延迟时间的波动很大，并且无法使用该方法测量信号。如上所述，自2021年以来我们一直在开发一种不受白光源强度波动和延迟时间波动影响的测量方法，并在2022年我们终于成功地进行了亚微秒范围内的测量。