千葉大ら,ペロブスカイト中の電子の重さを評価

千葉大学と北海道大学は,次世代太陽電池や発光デバイス材料として期待されるハロゲン化鉛ペロブスカイト中の「電子の重さ」を測定し,電子が周囲の格子に及ぼす影響を正確に評価することに成功した(ニュースリリース)。

ハロゲン化鉛ペロブスカイトは,高効率な次世代太陽電池を実現する材料として研究開発が行なわれている。ペロブスカイト半導体では電子と正孔が再結合して消えるまでの時間(寿命)が従来の半導体と比べて長く,高い性能を示す。また,ペロブスカイト半導体は発光効率も高く,LEDやレーザーへの応用も期待されている。

一方,ハロゲン化鉛ペロブスカイトは,電気伝導性はさほど優れていないことが指摘されており,その低い理由として「ポーラロン効果」の関与が議論されてきた。

半導体中の電子はイオンの作る結晶格子の中を動くが,電子がイオンに力を及ぼす(電子-格子相互作用)ために格子が歪む。すると,スポンジの上の重いボールのように,電子は格子を歪めて動きにくくなる。すなわち,実効的に電子の重さが増大したようなポーラロンと呼ぶ状態になる。ペロブスカイト半導体の格子は柔らかく,電子が周囲の格子系を歪めやすいと考えられてきた。

ポーラロン効果を確かめるためには,実際に「電子の重さ」を知る必要がある。半導体中の電子の重さを測定するためには,磁気分光によりランダウ準位を測定する。これまでにもペロブスカイト半導体でランダウ準位を測定した報告はあったが,これまでの実験では磁場が高すぎて,サイクロトロン周波数は格子の応答速度(フォノン周波数)よりも早いため,ポーラロン効果の影響を観測できていなかった。

そこで研究では,サイクロトロン周波数がフォノン周波数よりも遅くなるような弱磁場で,ペロブスカイト半導体CH3NH3PbX3(X=I,Br,Cl)を対象に測定を行なった。磁場によって変化するランダウ準位のエネルギーから,ポーラロンの質量と電子-格子相互作用の大きさを求めることができた。

また,励起子準位の測定も同時に行ない,高次励起子遷移がポーラロン効果の影響を受けていることも示した。これは,ハロゲン化鉛ペロブスカイトにおけるポーラロン質量を実験的に決定した初めての成果だという。

これにより,ハロゲン化鉛ペロブスカイトのポーラロン効果による電子の質量増大は,他の半導体と比べてやや大きめではあるものの,そこまで極端な差はなく,ペロブスカイト半導体中の本質的な電気伝導度は,従来信じられているよりも高い可能性が示された。

この結果は,ペロブスカイト半導体の電気伝導特性がさらに向上する可能性を示唆するものだとしている。

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