研究内容
“光”は、我々の日常生活と深く結びついているのみならず、最先端の物性物理においても、きわめて重要な役割を果たしています。
特に、光は、単なる現象の対象ではなく、電子物性の発現を巧みに引き出す手段であり、またその物性探究に不可欠な精緻ツールとしても広く活用されています。そのため、光を介した研究は多様な学術領域の中核を成し、物性科学の最前線を牽引しています。
本研究室では、有機半導体等の光機能性半導体及び材料を対象に、光と電子素子機能及び電子スピン機能を結びつける"オプトエレクトロニクス（opto-electronics）"に注目して研究を進めています。特にその研究対象は、応用・基礎の垣根を越え、物性物理、応用物理、さらには人工光合成を含む環境科学にまで及びます。それら広域分野からの技術を融合・駆使することで、基礎学理（＝理学）的なアプローチを独自に構築し、革新的な光機能物性が発現するメカニズムの解明を志向しています。
本研究室では、固体物理学的手法に光・スピン活用計測技術を重畳させた、独自のアプローチによる物性研究を展開しています。そのような計測手法の開発を核としつつ、素子作製や試料調製も自ら手がけることで、「作製・計測・理論的考察」を一体化させた総合的な研究展開を志向しています。物理・化学・材料科学・環境科学など、幅広い分野にまたがるテーマを対象とし、学際的な視点から革新的な知見の創出を目指しています。以下に、現在進行中の代表的なプロジェクトの一例をご紹介します。
| １．半導体の素子動作を光で”観る” 研究対象の一つである有機半導体は、高度に発達した化学合成技術を半導体に活用することで、半導体を多彩に機能化したり、物性を自在に制御、さらには新規物性の発現が期待されるなど、魅力的な研究対象となっています。その有機デバイスに電圧を印加し、素子駆動させると電流が発生し、有機EL素子(LED)では同時に発光も観測されます。それらの素子では、通常電流や発光量の印加電圧特性を基に評価がなされます。しかし、例えば電流は、キャリヤの注入、輸送、再結合など様々なミクロ素過程が重畳し、その”最終結果として”計測されるマクロ物理量に過ぎません。特に、キャリヤの電子状態に関するミクロな情報は、本来マクロ物理量の解析からは引き出すことができません。 |
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我々のねらいは、素子動作と分光計測技術を融合することで、素子動作に伴われる電子状態の変化を光信号により直接観測し（右上図）、半導体動作の物理をミクロな観点から解明することにあります。その実現により、素子動作内部に隠された素過程を明らかにし、新規物性の開拓にもつなげようとしています。以下に具体例を記します。 i) 有機ELでは、注入キャリヤのみならず、生成励起子の直接分光観測も実現しています。 |
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| ２．電子スピン操作による物性探索 有機半導体のみならず、通常導電キャリアは電子スピンを有します。物性研究の上で光利用技術は非常に強力ですが万能ではありません。１の分光計測では、電子波動関数の空間軌道部分からの情報を評価することに相当しますが、電子スピン共鳴(ESR)を用いることで電子のスピン波動関数からの情報を引き出すことができ、分光情報と相補的になります。特に、本研究室では右図に示したキャリヤペア（電子正孔対またはpolaron pair）に注目しています。これはEL過程において、キャリヤと発光を担う励起子の中間状態として位置づけられ、これまで効果的な計測技術が確立されていませんでした。 |
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我々は、ESR遷移した際の発光量と電流の微小変化を、発光検出ESRおよび電流検出ESR技術により高感度計測することで、そのキャリヤペアの情報を引き出すことを試みてきました。それにより、半導体の物性発現機構にスピンからの新しい知見を提供できます。さらには、SingletとTripletのキャリヤペア間では量子混合状態が形成されていると考えられており、その間をESRにより強励起することで、量子効果の検証実験に利用できると期待しています。また、発光検出ESRは光学的検出磁気共鳴（Optically-Detected Magnetic Resonance: ODMR）ともよばれ、その手法は量子センサーへの活用が期待されており、本研究室でもその基盤技術開発を志向しています。 |
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| ３．各種技術の融合 一般に、物性の正しい評価を試みようとする場合、一つの測定技術で事足りるとは限りません。そのため、分光技術、デバイス作成技術、電子スピン共鳴の実験手法を融合させた、新しい物性評価技術の構築に取り組んでいます。それにより、物性や機能の発現機構に関する新しい知見を引き出すのみならず、新規物性の開拓に繋げていくことを目的としています。 |
| 4．スピン流物性の探究 電流は電荷の流れとして広く知られていますが、近年では「スピン流」と呼ばれる、電子スピン（角運動量）の流れに注目が集まっています。これはスピントロニクスという先端分野の中核的なテーマであり、特に”純スピン流”と呼ばれる、電流を伴わずスピンのみが伝わる物理量（概念）は、電力損失を抑えた次世代の情報伝達手段としての期待を集めています。当研究室では、この純スピン流の本質に迫るべく、磁気共鳴技術に基点を置く新たな計測手法の開発を経て、独自の視点からの物性探究に挑んでいます。 |
| 5．社会課題解決に向けた融合研究 科学技術には、社会課題の解決に貢献するという重要な責務があります。私たちはその課題の一つとして、OLEDの高輝度・高効率化や、半導体機能を活用した“人工光合成”の高効率化を目指し、CREST研究課題として挑戦的な研究に取り組んでいます。本課題では、OLEDの動作および人工光合成のプロセスをリアルタイムでモニタリングする高度な計測技術の開発を鐘本が代表として主導し、さらに、OLED素子開発や人工光合成研究における第一人者の研究者、及び機械学習を主体に情報科学によるデータ解析研究を推進する研究者の方々が集結し、分野横断的な強力な研究チームを構成しています。この連携体制のもと、各動作プロセスのメカニズム解明に基づく学理の構築を進め、持続可能な社会の実現に向けた革新的な技術創出に挑んでいます。 |