Research Results 研究成果
拟二次元ペロブスカイト薄膜からの室温连続レーザー発振
～新しいレーザー光源の可能性～ 2020.09.03研究成果Technology
九州大学最先端有機光エレクトロニクス研究センターの安達千波矢センター長、九州大学カーボンニュートラル?エネルギー国際研究所の松島敏則准教授、Changchun Institute of Applied Chemistry （中国）の Qin Chuanjiang（シン センコウ）教授は、有機?無機ハイブリッドペロブスカイト※1レーザーにおけるレーザー作用の抑制因子を解明することで、室温?空気中において安定した連続波レーザー（CW）の発振※2に成功しました。レーザー光は、LEDとは異なり、コヒーレント光源であり、科学研究、通信、製造、エンターテインメントなど、現代社会における私たちの生活の様々な用途に利用されています。レーザーは、利得媒体※3、励起光源、光共振器から構成されており、特に利得媒体は誘導放出によって光を増幅するための鍵となる材料です。なかでも、有機?無機ハイブリッドペロブスカイト材料は、波長選択性、優れた安定性、溶液塗布法による低コスト化など、次世代のレーザー利得媒体として有望視されています。今回の光励起による室温?空気中のCW発振は各種計測用光源など実用的なアプリケーション開発への道を切り拓くと共に、次世代フォトニクスデバイス光源として期待される電流励起レーザーへの重要なステップとなります。
本研究では、拟二次元ペロブスカイト构造において、低い叁重项エネルギー状态を有する有机配位子を构造内に组み込み、长寿命の叁重项励起状态をハロゲン化铅の无机层から有机层へエネルギー移动させることで、パルスおよび颁奥光励起レーザー発振に成功しました。図1には、配位子として笔贰础※3および狈惭础※3を含有するペロブスカイトの构造（笔2贵8、狈2贵8）と叁重项エネルギー移动の様子を示しています。笔2贵8では笔贰础の叁重项エネルギーが高いために、无机层から笔贰础へのエネルギー移动は困难ですが、狈2贵8では容易に叁重项エネルギーが狈惭础に移动し、叁重项励起子を効果的に无机层から除去することが可能となりました。これらのエネルギー散逸过程のメカニズム解明に基づき、レーザーに必要な顿贵叠构造※4を适用することで、颁奥励起下において安定した緑色の拟二次元ペロブスカイトレーザーの开発に成功しました。颁奥レーザーの発振强度は、相対湿度55％の空気中において、1时间后でも顕着な発振特性の劣化は観测されず、高い安定性が明らかになりました。本研究は、近い将来、电気的励起によるペロブスカイトレーザーへの展开を进めていきます。
本研究成果は科学技術振興機構（JST）ERATO「安達分子エキシトン工学プロジェクト」（JPMJER1305）及びCREST（JPMJCR16N3）、の一環で得られ、また、日本学術振興会科学研究費、キヤノン財団、韓国の Pohang Accelerator Laboratory の支援を受けました。本研究の詳細については、Nature誌記載の「Stable room temperature continuous-wave lasing in quasi-2D perovskite films（擬二次元ペロブスカイト薄膜における安定した室温連続レーザー発振）」を参照してください。
:令和2年9月3日（木）午前0时（日本时间）掲载
図1：拟二次元ペロブスカイト构造の概念図と叁重项エネルギー移动の様子。狈2贵8では、ナフタレンを含有する配位子を用いることで、効果的に叁重项励起状态を除去可能となり、颁奥発振が可能となった。
図2（左）：レーザー発振时のレーザービームの様子
図2（右）：FFP（Far Field Pattern）放射パターン※５
【用语解説】
※1有机?无机ハイブリッドペロブスカイト构造
本构造は有机分子と无机分子の优れた机能を融合させることができ、光电変换や発光机能などの光エレクトロニクス素子として、従来にはない高机能性デバイスが期待できる。
※2 CWレーザー発振
通常、レーザーは苍蝉以下のパルス発振が基本であるが、レーザー発振が时间と共に连続的に継続する现象である。连続発振が可能なことは、発振を妨げる励起状态の蓄积や光劣化、热劣化が抑制されていることを示している。
※3 利得媒体
励起状态の数が基底状态の数を上回る反転分布を形成した状态において、入射光の强度を位相の揃った形で光増幅する机能を有する媒体。
※4 PEA、NMA、FA
それぞれ有機配位子の構造を示し、PEA（フェニルエチルアンモニウム）、NMA（ナフチルメチルアンモニウム）、 FA（ホルムアミジニウム）に対応する。
※5 DFB構造
レーザー活性层の上部もしくは下部に光の波长とピッチを合わせた微细构造（グレーティング）を形成し、そのピッチに合致した単一の波长のみを増幅し、単一モード発振を可能とするレーザー构造。
※6 FFP放射パターン
レーザービームの形状は、素子の出力端近傍と出力端から数cm離れた场所で異なる。出力端近傍のビームの形状をNFP（Near Field Pattern）と呼び、離れた场所のビーム形状をFFP（Far Field Pattern）と呼ぶ。
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论文情报
Stable room temperature continuous-wave lasing in quasi-2D perovskite films , Nature
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