Fumiya Sekiguchi - ハライドペロブスカイト半導体

ハライドペロブスカイト半導体は、低温の溶液法により安価・簡便に作製できる半導体でありながら非常に高い光電変換効率を持ち、太陽電池などの次世代光電デバイスの材料として期待されている物質です。その優れた光電変換特性の背後では、この物質群特有の柔らかい格子構造による低エネルギーのフォノンが重要な役割を果たしていると考えられてきました。しかし、従来の実験手法では、フォノンと光キャリアの相互作用については、間接的な情報しか得ることができませんでした。そこで我々は、太陽電池材料の候補物質であるCH3NH3PbI3を対象に、高強度なテラヘルツパルスによって1THz付近のフォノンモードを直接・共鳴的に励起し、これによって光注入したキャリアの高速な緩和ダイナミクスにどのような影響が現れるかを、時間分解して測定したPLスペクトルから議論しました。

半導体中に光励起されたキャリア（電子・正孔）は、フォノンとの相互作用を介してエネルギーを失い冷却されます。ここで、通常フォノンは熱の”はけ口”、すなわち受動的な熱浴としてみなされます。一方で、冷却前の高エネルギーキャリア＝ホットキャリアをうまく利用できれば、高効率な光電デバイス動作につながるという期待もあります。このために、キャリアとエネルギーをやり取りするフォノンに注目するという発想が生まれます。我々は、テラヘルツパルスによってフォノンモードを強く励起した結果、PLスペクトルが高速に変化することを観測し、キャリア温度が過渡的に上昇する現象を見出しました。このとき、高エネルギー領域のPL強度はテラヘルツ照射によって増強されています。この現象は、負の遅延時間（テラヘルツパルスを可視光パルスより少し前に照射する条件）においても観測されるため、フォノンの直接励起がホットキャリア形成を引き起こしていると考えられます。さらに、テラヘルツパルスの励起強度を上げると、形成されたホットキャリアの冷却にかかる時間が長くなることが観測されました。これらの結果は、ホットフォノンボトルネック効果（キャリアがフォノンを再吸収することによって冷却が遅くなる効果）を、テラヘルツパルスによるフォノン励起によって直接的に引き起こすことで、ホットキャリア寿命を延ばしたことを意味します。

本研究は、ハライドペロブスカイト半導体の光電特性においてフォノンが果たす役割の重要性を明らかにするとともに、フォノン励起を新たな自由度として積極的に利用することで、キャリアの状態を操作できる可能性を示しています。