千葉大など、光を当てて物質を冷却する「半導体光学冷却」の実証に成功

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千葉大学、大阪大学(阪大)、京都大学(京大)の3者は9月2日、次世代太陽電池や発光デバイス材料としても期待されるハロゲン化金属ペロブスカイトを用いて、光で物質を冷やす「半導体光学冷却」の実証に成功したことを共同で発表した。

同成果は、千葉大大学院 理学研究院の山田泰裕教授、同・大学院 融合理工学府の大木武大学院生、阪大大学院 工学研究科の市川修平准教授、同・小島一信教授、京大 化学研究所の山田琢允特定助教、同・金光義彦特任教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国化学会が刊行するナノサイエンスとナノテクノロジーの全般を扱う学術誌「Nano Letters」に掲載された。

発光とは、物質が光のエネルギーを受け取って高エネルギー状態になった後、元の状態の戻る時に逆に光を放出する現象のことをいう。物質が吸収した光子の数と放出される光子の数の比を「発光効率」というが、ペロブスカイトは、それが高いことを特徴の1つとしている。

またペロブスカイトは、「電子-フォノン相互作用」が強いという性質も特徴とする(フォノンとは格子の熱振動を粒子として扱う準粒子の一種)。それにより、ペロブスカイトは入射した光よりも高いエネルギーの「アンチストークス発光」というユニークな性質を示す。物質の温度はエネルギーの総量で決まることから、もし発光効率100％のアンチストークス発光があれば、光を照射すればするほど、物質は発光を通じてエネルギーを失い、冷却できることになる。実際、発光効率がほぼ100％の希土類のイオンを分散させた結晶では光学冷却が実現済み。ただし、光の吸収率が小さく、冷却デバイスがどうしても大型化してしまうほか、低温冷却にも限界があるという問題を抱えていたという。

また、半導体の光学冷却も目指されてきたが、効率を下げる原因である不純物や欠陥を可能な限り減らしても、冷却が実現する水準にまでたどり着けなかったことから、発光効率を100％に近づけることが困難だったという。そうした中で期待されているのが、ペロブスカイトの量子ドット。直径10nm以下の極めて小さな結晶である量子ドットは高い発光効率を持つ。高い発光効率を有するペロブスカイトにさらに高い発光効率を有することができる状態にしようというわけである。しかし、量子ドットは大変壊れやすく、特にペロブスカイトは大気暴露や継続的な光照射ですぐに発光効率が下がってしまうことが課題となっていた。