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金属ハライドペロブスカイトにおける材料プロセス科学

材料の形状を変化させることも、マテリアルエンジニアリングの一つです。下図に示す 4 つの写真は、材料の組成はどれも CsPbBr₃ ですが、その形状が左から順に量子ドット、薄膜、厚膜、単結晶と異なります。少し雑な例えですが、同じ種類のレゴブロックがあったとして、それをどのように組み合わせていくかで完成物がまるで違うものになる、というような理解で構わないと思います。

量子ドットとは、直径 10 nm 程度の半導体結晶を指し、ナノ結晶とも呼ばれます。半導体の物理的特性は、結晶サイズをこれほどまでに小さくすることで大きく変化し、とても強い発光を示すようになります。そのため量子ドットは主に LED やシンチレータなど、発光材料としての研究が盛んです。太陽電池や光検出器のように、光を吸収して電気を取り出したい場合、吸収に必要なペロブスカイトの厚さを考慮して材料を設計する必要があります。ペロブスカイトの場合、可視光線はおよそ 1 µm 以下の厚さで十分に吸収できるため、薄膜での応用が盛んです。X線やガンマ線を吸収する放射線検出器を作製する場合、100 µm 以上の厚さを持った厚膜やミリメートルサイズの単結晶を用います。

プロセスエンジニアリング –どうやって作るか？–

さて、ペロブスカイト材料の性質は、その組成や形状によって大きく変化しうることをここまで説明しました。今度は肝心の"どうやってそれを作るか？"という問題に焦点を当てます。薄膜の作製方法一つをとっても、スピンコート法、ダイコート法、インクジェットプリンティング、真空蒸着法など多種多様な作製方法が提案されています。それぞれの手法に長所・短所があり、目的に応じたプロセスを選択することが重要です。さらに、同じプロセスであっても、ペロブスカイトの成膜条件を変えれば当然出来上がる膜の品質にも違いが現れます。このため、プロセスの特徴や成膜メカニズムをよく理解して、目的にあった材料合成を可能とすることが重要になります。

私のこれまでの研究では「どうやってペロブスカイト材料を作るか？どうすれば高品質なものを作製できるか？」に焦点を当てています。