【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22HK0043
利用課題名 / Title
ぺロブスカイト型ナノ結晶の構造解明
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
電子顕微鏡/Electron microscopy,電子分光,赤外・可視・紫外分光/Infrared and UV and visible light spectroscopy,質量分析/Mass spectrometry,フォトニクス/ Photonics,量子効果/ Quantum effect
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
高野 勇太
所属名 / Affiliation
北海道大学 電子科学研究所 分子フォトニクス研究分野
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
Vasudevanpillai BIJU,岡本 拓也,Palyam Subramanyam,Bhagyashree Mahesha SACHITH,Rumana Acter,Most Farida KHATUN
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
森有子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
HK-402：走査型透過電子顕微鏡
HK-404：超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、次世代発光材料として注目されるハロゲン化鉛ペロブスカイトの量子ドット、ナノ結晶、およびマイクロ結晶を作成し、電子顕微鏡観察と光物性解析により、ペロブスカイト量子ドット集合体のメカノオプティカル特性を実証した。さらに、ヘテロ接合型ペロブスカイト結晶を作成し、光励起によって生成したキャリアを効率よく輸送することを見いだした。これらの成果は、ペロブスカイト材料を発光材料として利用する際に高効率的な発光特性や高耐久性、そして新奇光物性の発現を行うために重要な知見である。
実験 / Experimental
次世代発光材料として注目されているハロゲン化鉛ペロブスカイトについて既報に従い、粒径5~10 nm程度の量子ドットまたはナノ結晶、その集合体、そしてマイクロ結晶を作成した（組成FAPbBr3あるいはMAPbBr3）。得られた量子ドットまたはナノ結晶をトルエン中で分散させ、STEM観察のためにはカーボン支持膜付き銅グリッドに滴下塗布して乾燥後、超薄膜評価装置HD-2000（日立ハイテク）にて、またSEM観察のためにはガラスまたはITO基板上に塗布して乾燥後に超高分解能走査型電子顕微鏡SU-8230(日立ハイテク)にて、それぞれ電子顕微鏡観察を行った。
そこから得られた知見をもとに合成したペロブスカイト結晶の構造決定を行い、同結晶の光物性の検討を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
作成した各種ペロブスカイト試料について、HD-2000によるSTEM観察およびSU-8230によるSEM観察を行った。結果、ナノ結晶試料からは粒形が10 nm程度に揃った結晶性試料が確認された。量子ドット試料では3 nm程度の分散した粒子がみられた。また、量子ドットを生成してからの時間が経つにつれて粒子が集合することにより、蛍光波長はレッドシフトし蛍光寿命も長くなることがわかった。さらに、形成した量子ドットの集合体に機械的刺激を加えることで蛍光波長がブルーシフトし、蛍光寿命がふたたび短くなった。電子顕微鏡による構造解析と蛍光顕微分光による光物性解析により、ペロブスカイト量子ドット集合体のメカノオプティカル特性を実証した。
一方、MAPbBr3のペロブスカイトナノ結晶薄膜およびマイクロ結晶において、ハロゲン化物前駆体（MAI）存在下にて光圧を用いて局所的にハロゲン交換を行い、ヘテロ接合型ペロブスカイト結晶を作成した。作成したヘテロ接合型ペロブスカイトでは光励起によって生成したキャリアを結晶中のBrリッチの領域からIリッチの領域へと効率よく輸送し、そして捕捉されることを見出した。
これらの知見は、ペロブスカイト材料を発光材料として利用する際に、高効率的な発光特性や、高耐久性、そして新奇光物性の発現などへの道しるべとなる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
SEMおよびSTEM画像取得に関して北海道大学電子科学研究所の森有子氏の技術補助に感謝いたします。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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M. D. Shahjahan, Halide Perovskite Single Crystals and Nanocrystal Films as Electron Donor‐Acceptor Heterojunctions, Angewandte Chemie International Edition, 62, (2022).
DOI: 10.1002/anie.202215947
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 岡本拓也, Vasudevanpillai BIJU, “二座配位子により形成したハロゲン化鉛ペロブスカイト超結晶の構造と光物性”, 日本化学会 第103春季年会(2023), K204-3pm-14, 千葉, 2023年3月.
- Takuya OKAMOTO, Zhang ZHIJING, Vasudevanpillai BIJU, “Mechanical Modulation of Photoluminescence in Self-Assembled Lead Halide Perovskite Quantum Dots”, 2022年光化学討論会, 3A08, 京都, 2022年9月.
- Bhagyashree Mahesha Sachith*、岡本 拓也、髙野 勇太、Vasudevan Pillai Biju : 「Diffusion Controlled Interfacial Electron Transfer in Perovskite Nanocrystal Films」、CASM2022、Thiruvananthapuram、India (2022-07)
- Jeladhara Sobhanan *, Y. Takano and V. P. Biju : “Immunofluorescent Quantum Dots and Silica Particles for SpectroTemporally-Resolved Multimodal Cancer Cell Detection in the Blood”, CASM2022, Thiruvananthapuram, India (2022-07)
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件