光で冷却する次世代半導体技術の実証とその応用可能性

革新的な半導体光学冷却技術の実証

千葉大学の山田泰裕教授を中心とする研究チームは、次世代太陽電池や発光デバイス材料として注目されるハロゲン化金属ペロブスカイトを利用し、光で半導体を冷却する新たな手法を実証しました。この研究成果は、2024年8月29日に米国化学会の学術誌「Nano Letters」に掲載されました。

研究の背景とハロゲン化金属ペロブスカイト

ハロゲン化金属ペロブスカイトは、優れた発光効率を持つことで知られており、未来の太陽電池や発光デバイスに広く利用されることが期待されています。発光のメカニズムは、物質が光のエネルギーを受け取ることで高エネルギー状態になり、元に戻る際に光を放出する過程です。この際に発生した熱エネルギーは温度を上昇させます。特に、ペロブスカイトは電子とフォノンの相互作用が強く、アンチストークス発光というユニークな特性を持っています。この現象を利用することで、物質のエネルギーを管理し、冷却が可能であるとされています。

光学冷却の実験と成果

研究チームは、量子ドットを含むドットインクリスタル構造を用いて光学冷却の実験を行いました。半導体に光を当てると、励起子と呼ばれる電子と正孔のペアが生成され、励起子の再結合時に発光が生じます。しかし、励起子の密度が高くなるとオージェ再結合が生じ、発光ではなく熱が発生します。この研究では、光強度が冷却や加熱に及ぼす影響を調査しました。

実験の結果、選択的に光を照射することで発光効率が高い部分を維持し、冷却の観測に成功しました。また、励起光の強度を調整することで、冷却から加熱へと移行する様子も観察されました。このアプローチにより、具体的な温度測定方法を確立しました。

今後の展開と課題

この研究は、オージェ再結合によって冷却の限界が存在することを示し、今後の光学冷却の進展には、量子ドットの密度を増加させたり、オージェ再結合を防ぐ手法が求められるとしています。また、量子ドットの周囲の環境を工夫することで冷却効率を向上させるための様々なアプローチが考えられています。

研究資金と用語解説

本研究は、キヤノン財団や京都大学共同利用・共同研究などによって支援されました。技術の詳細や用語については、論文を参照することが推奨されます。この研究の成果は、今後の半導体技術の発展に寄与する可能性を秘めています。

参考文献

- 論文タイトル：Optical cooling of dot-in-crystal halide perovskites: challenges of nonlinear exciton recombination
- 著者：Yasuhiro Yamada, Takeru Oki, Shuhei Ichikawa, Kazunobu Kojima, Yoshihiko Kanemitsu
- 雑誌社：Nano Letters
- DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02885