OIST,フォスフォレン内励起子の移動と作用を解明

沖縄科学技術大学院大学(OIST)の研究グループは,励起子がフォスフォレン内でどのように移動し,相互作用しているかを明らかにした(ニュースリリース)。

フォスフォレンは厚さが原子1個分しかないリンの単原子層シートで,その光電子異方性,つまり光子と相互作用する電子が一方向にのみ移動する,という特性が研究者たちの関心を集めている。

フォスフォレンはこの異方性のため,二次元物質であるにもかかわらず一次元と二次元の両方の特性を持つ。フォスフォレンの擬一次元の性質は他の物質では見られないもので,LEDから太陽電池まで,光エレクトロニクスデバイスへの応用が期待されている。

物質が光子を吸収して生成された正孔が,負の電荷を持つ励起された電子に引きつけられて生まれた電子と正孔の対である励起子は,物質内を移動しながら他の励起子と相互作用する。

しかし励起子の寿命は短く,励起された電子は間もなく正孔と結合する。その際,励起子は光子を放出するか(放射再結合),励起子同士の衝突によって熱を物質に伝達する「励起子-励起子消滅」と呼ばれる非放射再結合が起こる。

励起子-励起子消滅(相互作用)は,一次元系と二次元系で大きく異なる。この違いを利用すれば,擬一次元フォスフォレンにおける相互作用の性質を調べることが可能になるという。

研究グループは,レーザーを使ってパルス光を2回,フォスフォレンに照射した。1つ目のパルスが電子を励起して励起子を生成し,100ピコ秒以内に2つ目のパルスに照射することによって励起子-励起子消滅がどのように起きたのかを記録する。パルスの出力を変えることで生成される励起子の初期密度を変えることができる。

研究グループは励起子密度が増加すると,励起子-励起子消滅が一次元から二次元にシフトすることを発見した。この次元シフトは,フォスフォレンの特異な構造から生じる異方性によって発生することがわかった。励起子の移動速度は格子に沿ってある特定の方向では速くなる一方,別の方向では遅くなるという異方性がある。

その結果,励起子密度が低い時には,励起子間の相互作用は好ましい方向に沿って,つまり一次元で発生した。しかし励起子密度が増加して励起子間の距離が短くなると,それとは垂直な方向,つまり二次元での相互作用が発生し始めた。

また研究グループは,温度が励起子-励起子消滅に与える影響も調べ,フォスフォレンの小片を冷却した場合,励起子密度が高くても,励起子-励起子消滅は二次元から一次元に戻ることがわかった。

この研究によって,フォスフォレンの新たな特性が明らかになり,光エレクトロニクスデバイスの新たな物質としての可能性が高まっていくとしている。

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