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[革新的ナノ材料／本文NS.doc](https://mdr.nims.go.jp/filesets/9d221dce-4ba1-44c8-9646-f4f31d62f803/download)

## Creator

[白幡 直人](https://orcid.org/0000-0002-1217-7589)

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[革新的ナノ材料](https://mdr.nims.go.jp/datasets/7597caa7-825f-49fa-9b9a-85368b737ba0)

## Fulltext

□□□□□■（レポートタイトル）5-1. 国立研究開発法人 物質・材料研究機構（NIMS）物質・材料研究機構（NIMS） ナノアーキテクトニクス材料研究センター（MANA）ナノ粒子グループ（白幡 直人 グループリーダー）では、安全で健康な社会の実現と継承に資する「画期的なエネルギー変換材料」を創製することを目的としている。その実現に向けて、新奇な物性を示すナノクリスタル(NC)の創製、さらに合成化学を基軸にし、質の良いナノ構造に顕在化する「電子の量子性」の制御・活用・応用に取り組み、NCに秘められた新機能探索、フォトニクス、熱フォノニクス、オプトエレクトロニクス等へ研究を展開している。(1) 塗布型LEDの効率的な発光のためのコロイダルNC粉末のナノ構造制御カドミウム、鉛、セレン、水銀など、環境や健康へのリスクが懸念される元素を構成要素に含まないNCの開発が進められている。これらの開発研究は、環境に優しいという点と、コロイド合成の最近の進歩により、NC研究の最前線に位置している。研究グループは、IV 族半導体およびIII-V族半導体に関して、NCの構造を制御して、光エレクトロニクスデバイスとしての機能を強化する方法を検討した。無輻射失活をもたらす構造欠陥の生成を抑制する合成方法を開発することで、可視－短波赤外領域におけるフォトルミネッセンス量子収率(PLQY)を大幅に改善でき、材料によっては100%まで高めることが可能である。NCを活性層に具備するデバイスアーキテクチャは一般に正孔輸送と電子輸送の間にNCが挟まれた縦型pin構造を持っている。図1に例示される電流注入型 LEDはシリコン(Si)NCが活性層として機能する。バルク結晶としては間接遷移型バンド構造をもつがゆえ低PLQYのSiであってもナノ構造化によりPLQYを増強させ、光エレクトロニクス素子としての機能が発現する。（出所：NIMS 白幡直人グループリーダー 提供 Kona, 39, 130-149 (2022).）【図1. (a)塗布型LEDデバイスの構造。(b)デバイス断面TEM画像。(c)EDSマップ。スケールバー：(b)200nm、(c)20nm】(2)鉛フリーペロブスカイトNCを活性層にもつ高効率UVフォトダイオードダブルペロブスカイト結晶は非鉛系のなかでは構造安定性に優れ、明るい自己捕獲励起子に基づく発光が得られるため近年注目が集まっている。研究グループは、高い吸収係数を持つCs2AgBiCl6ナノクリスタルをホットインジェクション法によって合成した。バンドギャップエンジニアリングは、Cs2AgBiCl6のハロゲンイオンを Cs2AgBiBr6に置換することで実現した。各々のNCは、0 V のバイアス電圧でも動作可能で、紫外－可視域で受光波長選択性を示すフォトダイオードの活性層として使用された。優れたデバイス性能に加え、不純物ドーピングにより受光波長選択性を付与できるので、非鉛系ペロブスカイトNCとして有望である。 （出所：NIMS 白幡直人グループリーダー 提供 Nanotechnology, 35, 035701 (2024).）【図2. (左)Cs2AgBiCl6 NCと(右) Cs2AgBiBr6 NCに基づくフォトダイオードのデバイス構成とエネルギーダイヤグラム。】(3)短波赤外線（SWIR：Short-Wave InfraRed）フォトダイオードSWIR光を波長選択的に検出する技術は光通信や医療など多方面で必要とされている。コロイダルNCを活性層にもつSWIRフォトダイオードは、量子サイズ効果に基づき受光波長選択性を示し、0 Vの電圧バイアスでデバイス駆動、光ゲインの獲得も可能である。さらにプリンタブル技術との高い互換性を特徴としている。研究グループは、非鉛系のNCとして初めてInSbを活性層に備えたSWIRフォトダイオードを論文発表した。前駆体としてInBr3 と SbBr3を選択し、合成条件を最適化することにより、酸化物フリーかつ不純相フリーのInSb NCを化学合成し、リガンド交換を施し、光活性層内のキャリア移動度を高めることで初めてSWIR光に対して応答特性が発現することを見い出した。（出所：NIMS 白幡直人グループリーダー 提供 ACS Appl. Nano Mater., 6, 15540−15550 (2023).）【図3. (a)リガンド交換プロセスのスキーム。リガンドの(a)交換前と(c)交換後の InSb NC相の外観写真】＜参考文献＞[1] N. Shirahata, “Recent Progress in Controlled Nanostructures of Colloidal Nanocrystal Powders for Efficient Light Emission”, KONA Powder Particle J. 41 (2024) 172–182. DOI: 10.14356/kona.2024001[2] X. Huang, H. T. Sun, N. Shirahata Highly Efficient, “Self-Powered UV Photodiodes based on Leadfree Perovskite Nanocrystals through Interfacial Engineering”, Nanotechnology 35 (2024) 035701. DOI: 10.1088/1361-6528/ad0303[3] S. Chatterjee, K. Nemoto, B. Ghosh, H.. T. Sun, N. Shirahata, “Solution-Processed InSb Quantum Dot Photodiodes for Short-Wave Infrared Sensing”, ACS Appl. Nano Mater. 6 (2023) 15540–15550 DOI: 10.1021/acsanm.3c02221