負の屈折率温度係数を持つ半導体物質を発見―――ハロゲン化金属ペロブスカイトを用いた光学温度補償に成功 京都大学

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溶液法で作製した CH3NH3PbCl3単結晶の写真

京都大学は2019年7月22日、負の屈折率温度係数を持つ半導体物質を発見したと発表した。

多くの半導体デバイスでは、温度上昇に伴い屈折率温度係数も大きくなる特性がある。そのために温度によって光学特性が変化してしまうという問題があった。

ハロゲン化金属ペロブスカイトは材料費が安く、溶液法で作成しても高品質な結晶が得られるため、フレキシブルな光デバイスの材料として注目されている。今回の研究では、そのようなハロゲン化金属ペロブスカイト物質の1つであるCH3NH3PbCl3の単結晶を作製。その屈折率の温度依存性を測定した結果、温度上昇に伴って大きく減少することを発見した。

この負の屈折率温度係数は、シリコンなどの実用半導体材料が示す正の屈折率温度係数や、正の熱膨張率と逆の符号だ。研究グループは、この性質を用いることで、通常の半導体材料中で温度変化によって生じる光学特性の補償が可能であることを示した。CH3NH3PbCl3を用いることで、正の屈折率温度係数を持つ半導体ZnSeで生じる温度上昇に伴う光路長の変化を打ち消すことに成功した。

今回の研究で明らかになった負の屈折率温度係数は、ペロブスカイト材料を用いた光デバイスを設計する際の重要な情報になるとともに、温度補償材料への応用の可能も示す興味深い特性だという。CH3NH3PbCl3は、可視光から近赤外光までの幅広い波長の光を透過し、かつ溶液法で容易に高品質な試料を作製できるため、光集積回路などのさまざまな光デバイスでの温度補償材料として応用が期待されるという。

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