異方性相分離無機ナノ粒子の合成と構造特異的機能の創出

点击翻译按钮获取中文摘要

異なる半導体を接合させたヘテロ接合では、各相間でキャリアが移動することにより、電子とホールの波動関数の空間的な位置を制御することができる。本研究では、高効率光触媒や太陽電池への応用に向け、光励起により空間的な電荷分離状態を形成すると考えられるCdS/CdTeタイプ-II型ヘテロ構造ナノ粒子の合成を行った。CdSナノ粒子のSアニオンを部分的にTeアニオンにアニオン交換させることでCdS相とCdTe相が異方的に相分離したヘテロダイマー型のナノ粒子を選択的に得ることに成功した。CdS相はウルツ鉱型、CdTe相は閃亜鉛鉱型の結晶構造を持ち、この違いが自発的な相分離を誘起したと考えられる。反応温度が高くなる、もしくはCdSナノ粒子のサイズが小さくなると、Te前駆体の反応性や比表面積の増大により、アニオン交換速度が大きくなった。原子分解能を持つSTEMによってCdS/CdTeナノ粒子の観察を行い、CdTe相がCdSに対してエピタキシャル成長している様子や、ヘテロ界面の詳細な構造(結合様式、極性など)を明らかにした。アニオン交換反応の経過を追跡したところ、CdS上のCdTeセグメントがCdS上の最も安定な面に一か所に集まることで、ヘテロダイマー構造が形成するメカニズムを示唆する結果が得られた。また、CdS/CdTeナノ粒子内での光誘起自由キャリアダイナミクスを明らかにするため、過渡吸収測定を行った。CdTe相のみを励起できる600nmのポンプ光を用いた過渡吸収スペクトルでは、CdSのバンドギャップエネルギーでの吸収のブリーチングが観測された。このことは、CdTe相からCdS相への電子移動を示すものである。今回の合成手法で得られるCdS/CdTeナノ粒子は、粒子内に一つしかヘテロ界面を持たないため、電子移動が一方向となり、太陽電池への応用が期待できる材料である。