量子ドットなどの光感応材料におけるエネルギー移動は、より高性能な太陽電池やLED、その他のデバイスの実現に向けて注目されている。MITの化学専攻大学院生、A. Jolene Morkは、ホッピングとして知られる、ある量子ドットから別の量子ドットへエネルギーがどれほど速く移動するかを調べている。
Morkは、コロイド量子ドットにおけるエネルギー移動を分析した Journal of Physical Chemistry掲載論文 の筆頭著者である。「薄膜内で励起子がどれだけ遠くまで行けるかではなく、ある量子ドットから別の量子ドットへどれほど速く移動するかを見ています」と彼女は話す。Morkは、MITで化学工学のCharles and Hilda Roddey Career Development Professorを務める William A. Tisdaleの研究室に所属する、MIT大学院5年目の学生である。
分子のエネルギー移動速度を計算する標準的な式であるFörster理論では、ある量子ドットから別の量子ドットへ移動する励起子を十分に説明できない可能性があることを、Morkの研究は明らかにした。「標準的な前提では、中心間距離が重要とされています。そこで、端から端までの距離も関係するのではないかと考えています」とMorkは言う。
強く結びついた状態
量子ドットは、たとえばレーザーからの光子を吸収すると、その光エネルギーを励起子という形の励起状態に変換する。励起子は、反対の電荷によって互いに引き合う電子と正孔の対である。電子と正孔が分離できるシリコンなどの材料とは異なり、量子ドットが作る励起子では、量子ドットが非常に小さいため、電子と正孔は遠くまで離れることができず、強く結びついている。
「いずれ量子ドットは、全体として最も低いエネルギー状態である基底状態に戻ろうとします。その緩和の仕方は、別の量子ドットにエネルギーを移し、エネルギーを渡した量子ドットが基底状態に戻るか、あるいは量子ドットが光子を放出して基底状態に戻るかのどちらかです」とMorkは説明する。「つまり、それぞれの量子ドットは最も低いエネルギー状態を目指しており、そこに至る方法はいくつかあります。」
それぞれの量子ドットには発光スペクトルまたは吸収スペクトルがあり、どの波長の光エネルギーを放出または吸収できるかが決まる。「Förster理論は、ドナーからアクセプターへのこの二者間のエネルギー移動速度を記述します。その速度は、スペクトルの重なりと両者の距離によって決まります」とMorkは言う。
標準的な前提では、励起子は量子ドットの中心にある微小な双極子としてモデル化される、とMorkは付け加える。「分子は非常に小さいため、この考え方は分子には当てはまります。しかし量子ドットは何千もの原子からなり、分子よりはるかに大きいのです。こうした場合、量子ドットの中心にある双極子としてだけモデル化するのは適切な前提ではないかもしれません」と彼女は説明する。研究によると、測定されたエネルギー移動速度はFörster理論から予測される値の10倍を超えていた。
Morkの研究について、Tisdaleは、研究室の同僚である Mark Weidman が、量子ドット薄膜の斜入射小角X線散乱（GISAXS）および広角X線散乱（WAXS）研究を行うため、ニューヨーク州ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所にあるNational Synchrotron Light Sourceを訪れたと述べている。
拡散を測定する
Morkは、教授のTisdale、Vladimir Bulovic、Adam Willardによる量子ドット固体中の拡散に関する共同 研究 の共著者である。この研究では励起子寿命を測定し、励起子の拡散長をモデル化した。Morkは試料の準備と、スペクトル分解および時間相関分光測定を支援した。
「私たちは励起子の拡散長を調べています」とMorkは説明する。「ある量子ドットが光子を吸収すると、光子を放出しない非放射過程であるエネルギー移動が起こります。次の量子ドットが吸収すると、エネルギーを別の量子ドットへ直接渡します。そうしてさらにいくつかの量子ドットへエネルギーを移動させた後、吸収された位置に対してどこで光子が放出されるか、それが励起子の拡散長です。」
関連するエネルギー移動研究で、Tisdaleのグループは、無機量子ドットと二硫化モリブデン半導体を結合させた系について、量子ドットの大きさを変えることで異なる色の光を放出するよう設計できることを示した。「これはドナーとアクセプターの間の近接場双極子間結合です」とTisdaleは説明する。「この励起子は、量子力学的には電子と正孔の対、つまり電子と正孔として考えることができます。一方、古典的には振動する双極子として捉えることができます。この振動双極子は、周囲に同じ周波数の分極を誘起します。そして二硫化モリブデンのような隣接材料に共鳴周波数があれば、そのエネルギーを吸収できます。エネルギーは量子ドットから二硫化モリブデン（MoS2）へ移動するのです。励起子がホップして移ると考えても、こちらにあるエネルギーを持つ双極子が、あちらの別の双極子にエネルギーを渡すと考えてもよいでしょう。物理的には同じ現象ですが、見方や記述の仕方が異なります。」
Tisdaleによると、Morkの研究から得られる知見の一つは、溶液中で測定した量子ドットの特性を使うと、薄膜内で起こり得るこの種の励起子ホッピングの距離、つまり特性距離を誤って予測してしまうということだ。薄膜では、Förster半径の大きさに影響する別の効果が働くためである。
一般的な量子ドットは、ある材料のコア、別の材料のシェル、そして結合した有機分子（リガンド）からなる。量子ドットはシェルに結合したリガンドの大きさにも影響され、これは粒子間隔を左右する要因の一つである。「量子ドットLEDでは長いリガンドを持つ量子ドットを使い、量子ドット太陽電池では励起子の拡散長を調整するために短いリガンドを持つ量子ドットを使います」とMorkは言う。
「リガンドではなくシェルの厚さを変えて粒子間隔を変える方法を試しています。そうすることに関心があるのは、薄膜の誘電特性の一部が変わるからです。屈折率も変わりますが、これはFörster速度方程式に含まれる定数の一つです」とMorkは言う。彼女は振動エネルギーによるエネルギー移動も研究している。「振動に関する研究では、自分で量子ドットを作り、あらゆるリガンド交換化学を行い、それらの分光測定もしています」と彼女は話す。この研究は、電気伝導率が高く熱伝導率が低い材料を用いた熱電材料への応用につながる可能性がある。「多くの熱電材料では［この二つの特性が］同じように変化しますが、こちらではそれぞれを独立して調整できるかもしれません」と彼女は言う。
エネルギーは通常、高エネルギー光子を放出する量子ドットから、より低エネルギーの光子を放出する量子ドットへ移動するため、移動が何度も起こると、放出される光子の色は次第に赤くなる、とMorkは言う。「たとえば量子ドットで特定の色のLEDを作ろうとする場合、薄膜の中で最も赤いドットが、全体の発光スペクトルだけから考えるよりも、得られる光の色を決めるうえで重要になります」と彼女は説明する。
ワシントン州ショアライン出身でシアトル郊外の町で育った26歳のMorkは、ミネソタ州ノースフィールドのカールトン・カレッジを卒業した。MITでは有機化学の修士号を取得し、John D. MacArthur ProfessorのTimothy M. Swagerの研究室で研究した。2016年にMITで博士号を取得する見込みである。
この記事は MIT Newsとの共同掲載である。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しない。
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著者：Denis PaisteはMIT Newsの寄稿者。
画像：2011年3月2日、東京で開催された第4回国際太陽光発電（PV）展で、太陽電池モジュール供給業者Upsolarの太陽光パネル展示の隣に立つ女性のシルエット。REUTERS。
