光デバイス研究室

教員

大谷 直毅(教授)Naoki OHTANI

DB

研究分野半導体光デバイス、光物性、発光ダイード、レーザ、蛍光材料合成、太陽電池
研究室YE-119
TEL0774-65-6269
FAX0774-65-6801
E-mailohtani@mail.doshisha.ac.jp

研究内容

<概要>

 私たちの身の回りには光デバイスがとても沢山使われています。普段よく目にするものでは,照明装置,スマホやデジカメのディスプレイ,太陽電池等があります。個人で使うインターネットでも光サービスが普及して通信速度が大幅に向上していることから,通信にも光が使われていることが分かります。通信では,レーザや受光器,光に情報を乗せるための変調器,光強度を上げる増幅器などがあります。 
 現在でも大量に普及している光デバイスですが,5Gから6Gへと情報化社会が益々高度化されてユーザーが爆発的に増加することから光デバイスの需要は益々大きくなる事が予想されています(6Gでは人口より基地局の数が上回ると予想されています)。従って,光デバイスの性能を上げるとともに,低コスト化,小型化などが要求されるでしょう。このような需要に答えるためには,すでに実用化されている光デバイスの性能を上げるだけでは不十分であり,従って新しい材料の特徴を調べることから新しい発想を生み出す必要があります。 
 このような状況を鑑みて,光デバイス研究室では「世の中の役に立つような材料,法則を見つける」ことを目標に,新しい化合物半導体と有機材料の光物性や作製技術の検討を行い,新機能,高性能光デバイスの可能性を探索していきます。また、持続可能社会実現に貢献するため、低環境負荷(有害な物質を極力使用しない)と省エネルギー化を基本とする素子作製技術を追求しています。 
 学生各自は,自分のテーマに必要なサンプルの作製方法から評価方法すべてを体得してもらいます。その他に測定装置を自動化するプログラミング技術,実験データを理論的に評価する計算技術なども学んでもらいます。これらは社会に出てからも役に立つ技術と知識になるはずです。 
 またこの研究室は民間企業や他大学,国立研究所の研究者との共同研究を積極的に行っています。ですから,研究室に配属された学生は企業の研究者や他の大学の学生と交流する機会が数多くあります。このような交流は,大学での研究活動を行う上でもしくは就職後の自画像を思い描く上で大変役に立つでしょう。 
 以下に主な研究テーマを紹介します。

1. 無機化合物半導体関連

1-1 窒化炭素による青色発光ダイオードおよび光触媒効果の研究
 2014年にノーベル物理学賞となった青色発光ダイオード(LED)の発明は窒化ガリウム(GaN)を用いるものです。窒化ガリウムの高品質な結晶成長にはMOCVDというとても高価な気相成長装置が必要です。また、窒素原子の供給には人体に有害なアンモニアガス、一方、ガリウム原子の供給には水分と反応して自然発火する危険なトリメチルガリウム が必要です。さらにレアメタルで高価なインジウムを必要とします。また結晶成長中にはサファイア基板を1000℃で加熱し続けなければならず、エネルギー消費が大きい。このように、青色LEDで大成功しているGaNですが、このように作製時の環境負荷が大きくコストも高いので、代替材料が求められています。
 光デバイス研究室では、安価で環境に優しい窒素と炭素からなるグラファイト状窒化炭素(g-C3N4、図1)を用いて青色LEDの開発を目指しています。メラミンなどの物質を加熱する簡易な方法でg-C3N4が合成できるので高価な結晶成長装置や有毒ガスが不要です。また作製した試料では室温下で強い青色の蛍光が確認されています(図2)。LED作製には平坦な薄膜作製技術が必要です。これまでのところ、g-C3N4微粒子を液体に分散させて塗布法による成膜に成功しています。また微弱ですが、電流注入により青色発光を観測しています(いずれも特許申請中)。今後は塗布法による安価な製造方法で実用的な青色LEDの実現を目指します。
図1,2

1-2 GaAs/AlAs多重量子井戸の電子輸送と発光特性
 ナノメートル台の薄膜の周期構造は多重量子井戸とよばれ、量子井戸に閉じ込められた電子のエネルギーは離散化され、なおかつ障壁層が十分に薄いと量子力学的なトンネル効果により電子は隣の量子井戸へ移動できます。そのため、バルクの半導体には見られない多様な電子輸送と発光特性を示します(Hata他PRB95, 075309、図3と4)。光デバイス研究室では非対称な多重量子井戸構造の物性評価を進めています。これらの成果は半導体物性のみならず、量子カスケードレーザなどの新しい発光素子への応用が期待されます。
図3,4

1-3 コアシェル量子ドットを用いる塗布法レーザ
 量子ドットレーザは発光効率や消費電力などで量子井戸レーザの性能を上回ると期待されています。ただし、その結晶成長にはGaNと同様に高コストかつ環境負荷が問題となります。一方、近年では粉末状のコアシェル量子ドットが開発されています(図5)。これを用いると塗布法による量子ドット薄膜の成膜も可能となります。光デバイス研究室では、塗布法によるLEDおよび面発光レーザ(図6)の開発を行っています。
図5,6

2. 有機無機ハイブリッド関連

2-1ゾルゲル法による有機無機ハイブリッド薄膜
 最近は有機ELディスプレイなど有機物による発光素子の開発と応用が盛んに行われています。しかし、有機物は酸化や湿気の影響のため短時間で劣化し発光しなくなるので、外気に触れないように封止という作業が必要になります。このため、有機ELディスプレイの製造コストは液晶の2倍になります。この問題を解決するため、光デバイス研究室ではゾルゲル法により有機物を無機材料の薄膜に閉じ込める成膜方法を検討しています。
 図7は作製した有機無機ハイブリッド薄膜の断面電子顕微鏡写真です。ゾルゲル反応で合成したシリカガラスの中に有機物の蛍光色素が入っているのが確認できます。ゾルゲル反応は加水分解反応なので、膜の合成に数時間かかりましたが、紫外線硬化反応によりわずか数分で合成できるようになりました。この有機無機ハイブリッド薄膜を有機ELに用いて、動作寿命が改善されることを示しました(特許申請中)。今後は、駆動電圧を下げること、有機蛍光色素を均一に分散させることなどを改善して、有機ELのみならず、レーザ応用も検討していきます。
図7

2-2希土類が添加された蛍光ポリマー薄膜
 希土類錯体は希土類元素に有機配位子が結合している物質で、本来は禁制である希土類の発光強度を増強できることが知られています。また、発光波長が温度に依存せず安定な蛍光材料です。光デバイス研究室では、希土類元素を高分子に添加した蛍光ポリマー薄膜の開発を行っています(図8)。
 これまでのところ、赤色と緑色の蛍光ポリマーの合成は出来ています。今後は三原色の残りひとつ青色蛍光ポリマーの合成、発光効率の改善、寿命の評価などを行い、発光ダイオードの作製を目指します。
図8

3. 有機エレクトロニクス関連

3-1植物から抽出する天然色素による発光ダイオード
 有機デバイスに用いる有機物の問題点としてその価格が高いことが挙げられます。例えば、蛍光色素で有名なAlq3は5gで約6万円、有機太陽電池で用いられるPCBMは1gで約11万円です。光デバイス研究室では、植物から蛍光色素を抽出して有機ELに応用する研究を行っています。資源の乏しい我が国でも植物は豊富に存在しており、その色素を利用すれば低価格・省資源で環境負荷の小さい工業製品が製造できることになります。すでに、ほうれん草から抽出したクロロフィルを用いて赤色有機ELの作製に成功しています。このとき、βカロテンの抗酸化作用により素子の劣化が抑制されて動作寿命が長くなることを発見しました(図9。Ohtani他、JJAP, 50, 01BC08)。このように、生物が備えている防衛機能が工業製品へ応用できることがわかりました。
 これまでの研究から、緑色蛍光色素がミニトマトに含まれリコペンとして抽出され、一方、青色蛍光色素がアオダモという樹木から抽出できることも分かってきました(図10)。今後は、緑色と青色有機ELの作製を目指します。また、カラムクロマトグラフィー法により色素の分離を行い、βカロテンの抗酸化作用などを定量的に評価しています。
図9,10

3-2色素増感太陽電池
 国内で実用化されている太陽電池のほとんどはシリコンです。シリコンの単結晶を作るためには高価な真空装置が必要となり、結晶成長の最中には基板を600℃以上の高温で加熱し続けなければならない。つまり、素子作製中のエネルギー消費が課題です。色素増感太陽電池は常温で作製可能であり真空装置も不要です。そのため近年盛んに研究されています。
 光デバイス研究室では、酸化チタン薄膜部分をゾルゲル法で作製して大面積化に対応できる技術を開発中です。またルテニウム色素がたいへん高価であるため(100mgで3万円以上)、代わりに植物色素を用いる研究も行っています。これまでのところ、アントシアニン系色素が比較的高効率であることが分かっています。

4. 光触媒技術

 光触媒効果は酸化チタン微粒子を水に分散させて太陽光を照射すると水が水素と酸素に分解される現象です。すなわち、光エネルギーにより化学反応が促進され、燃料電池に必要な水素ガスが得られる現象です。他に、「抗菌」「脱臭」「空気や土壌の浄化」「防汚」などの効果が知られています。この前で説明した色素増感太陽電池も光触媒の一種です。このように、光触媒は再生可能エネルギーを利用して環境改善を可能とする夢の技術です。
 グラファイト状窒化炭素(g-C3N4)でも光触媒効果が確認されています。光デバイス研究室ではg-C3N4を用いる光触媒効果の高効率化の研究を進めています。g-C3N4を水に分散させると散逸するので、あるゲル状の固形物に分散させる方法を提案しています(図11)。これまでのところ、g-C3N4の濃度により水素ガス発生効率が変化することなどが分かっています(図12)。酸化チタンに比べて水素ガス発生効率が低いので、今後は効率改善のためのg-C3N4製造方法の検討を行います。
図11,12