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半導体量子ドットの集団増強効果の観測に成功

December, 23, 2021, 京都--京都大学、田原弘量 白眉センター特定准教授、坂本雅典 化学研究所准教授、寺西利治 同教授、金光義彦 同教授の研究グループは、半導体量子ドットを結合させた結合量子ドット膜において、量子ドットどうしが協力し合うことで現れる集団増強効果を世界で初めて観測することに成功した。

 コロイド半導体量子ドットは化学合成で作ることができるナノメートルサイズの微小な半導体結晶。この材料は、結晶サイズを制御することで光の吸収と発光の波長を変化させることができるため、溶液塗布型の太陽電池や発光ダイオードに向けた研究が行われている。これまで量子ドットの光学特性は、互いに離れた状態にある量子ドット(結合していない量子ドット)について研究が進められてきた。しかし、量子ドットを結合した結合量子ドットの量子光学的特性については明らかになっていなかった。

 研究グループは量子ドット間の結合による新しい現象や機能を探索・開拓する目的で、表面化学処理によって量子ドットどうしを結合させた結合量子ドット膜を作製した。結合量子ドットの特性は電子の量子力学的な振る舞いに現れるため、その特性を正確にとらえるためにレーザ光を用いた量子干渉法と光電流計測法を組み合わせた独自の測定を行った。その結果、結合していない量子ドットよりも結合した量子ドット膜の方が、光電流における量子干渉の信号が強くなる「集団量子増強効果」を発見した。この発見は結合量子ドットでは電子の量子力学的な特性が強められること、さらに結合量子ドットの中で光の周波数を倍増して変換できることを示しているため、高感度の量子センサや新しいエネルギー変換などの次世代光電量子デバイスにつながると期待される。

 研究成果は、2021年12月17日に、国際学術誌「Physical Review B」のLetterとしてオンライン版に掲載された。
(詳細は、https://www.kyoto-u.ac.jp)