Photo-excitation process of single semiconductor nano-particle

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半導体ナノ粒子の中でもワイドギャップ半導体材料は、発光素子や高効率な太陽電池への応用も期待されている。量子ドット以上の大きさのナノ粒子には個体差があるため、試料の集団平均を測定するかわりに"単一ナノ粒子"を観測することで、よりシャープで的確な物性測定ができる。単一ナノ粒子の電子状態はこれまでにも研究されているが、その知見は主に可視域の分光に限られている。本研究では走査プローブ顕微鏡加え、これまで当研究室で開発してきた紫外散乱分光およびフォトルミネッセンス分光の技術を駆使して、個々の半導体ナノ粒子の形状および電子状態の個性を明らかにすることを目的としている。フォトルミネッセンスは冷却すると格子振動の影響が抑えられ、スペクトルの感度が向上することがわかっている。本年度は室温から77kまで冷却することのできる試料セルを導入して、低温測定を実施した。酸化亜鉛（ZnO）単一ナノ粒子および単一凝集体について、個々のナノ粒子の紫外フォトルミネッセンススペクトルを取得した。ZnOナノ粒子の発光は、エキシトン由来の発光と欠陥構造に由来する発光が観測された。室温測定に比べて低温測定では、粒子の発光スペクトルの違いはより顕著に現れた。とくに束縛励起子、自由励起子及びドナーアクセプター遷移の強度比はいくつかのパターンに分類されることが分かった。これは個々のナノ粒子を構成する結晶面、また欠陥分布の違いに由来すると考えられる。