理研と東大、量子力学的な作用による光電変換を実証

August, 22, 2017, 東京--理化学研究所(理研)と東京大学の共同研究グループは、シフト電流と呼ばれる量子力学的な光電流の発生を、有機分子性結晶のtetrathiafulvalene-p-chloranil（TTF-CA）において実証することに成功した。
　強誘電体など空間反転対称性の破れた結晶構造を持つ物質では、p-n接合を形成しなくても光起電力が発生することが知られていた。この光起電力は、シフト電流と呼ばれる量子力学的な光電流発生機構で生じることが近年理論的に提案されている。シフト電流は、エネルギー散逸がほとんどない電流であるため、光電変換効率の大幅な向上につながる可能性がある。しかし、シフト電流である明確な証拠は実験的に得られておらず、実証に適した物質系も不明なままだった。
　共同研究グループは、イオン変位と電荷移動の2つの成分からなる強誘電体の電気分極のうち、後者が主になる分子性結晶のTTF-CAに着目。また、この物質はバンドギャップが約0.5エレクトロンボルト(eV)と小さいことから、可視赤外光領域で大きなシフト電流が期待できる。実際にTTF-CAの単結晶試料において分極軸方向に生じる光起電力を測定した結果、強誘電相において疑似太陽光照射による大きな光電流の観測に成功した。また、光電流が非常に長距離伝搬することを見いだし、シフト電流としての特徴を持つことも明らかにした。
　研究成果は、シフト電流による光電変換に関する基礎学理の理解を深めるとともに、革新的な光検出器や、従来とは異なる光照射条件でも駆動する環境発電デバイスなどへの応用につながると期待できる。
　研究成果は、Nature Communicationsに掲載された。
　研究グループの構成は、理研創発物性科学研究センター 強相関界面研究グループの中村優男上級研究員(科学技術振興機構さきがけ研究者）、川﨑雅司グループダイレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）、動的創発物性研究ユニットの賀川史敬ユニットリーダー、強相関物性研究グループの十倉好紀グループダイレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）他。
(詳細は、www.riken.go.jp)