JP6607381B2 - Method for producing layered perovskite thin film and cavity polariton laser using the same - Google Patents
Method for producing layered perovskite thin film and cavity polariton laser using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP6607381B2 JP6607381B2 JP2015169451A JP2015169451A JP6607381B2 JP 6607381 B2 JP6607381 B2 JP 6607381B2 JP 2015169451 A JP2015169451 A JP 2015169451A JP 2015169451 A JP2015169451 A JP 2015169451A JP 6607381 B2 JP6607381 B2 JP 6607381B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- layered perovskite
- chain alkylamine
- chain
- perovskite thin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
本発明は、有機層及び無機層が交互に層状に積層した層状ペロブスカイト薄膜に関し、特に、光学特性に優れた層状ペロブスカイト薄膜の製造方法及びそれにより得られる層状ペロブスカイト薄膜を用いたキャビティポラリトンレーザに関する。 The present invention relates to a layered perovskite thin film in which organic layers and inorganic layers are alternately laminated, and particularly relates to a method for producing a layered perovskite thin film excellent in optical properties and a cavity polariton laser using the layered perovskite thin film obtained thereby.
現在、光学分野において、高い光学特性を発揮することが期待されている材料として、有機層と無機層が交互に積層した層状ペロブスカイト薄膜がある。層状ペロブスカイト薄膜は、単分子膜累積法の1つであるラングミュアー−ブロジェット法(LB法)により製造できることが知られている。 Currently, in the optical field, there is a layered perovskite thin film in which organic layers and inorganic layers are alternately stacked as a material expected to exhibit high optical properties. It is known that a layered perovskite thin film can be produced by the Langmuir-Blodgett method (LB method), which is one of monomolecular film accumulation methods.
このような従来の層状ペロブスカイト薄膜の製造方法としては、例えば、水溶性の有機アンモニウム分子と無機ハライドを溶解した水溶液面に、有機アンモニウム分子を溶解した有機溶媒溶液を滴下し、水溶液面上に形成された単分子膜を、ラングミュアー−ブロジェット(Langmuir-Blodgett)法(LB法)を用いて基板上に移し取るものがある(特許文献1参照)。 As a method for producing such a conventional layered perovskite thin film, for example, an organic solvent solution in which an organic ammonium molecule is dissolved is dropped on an aqueous solution surface in which a water-soluble organic ammonium molecule and an inorganic halide are dissolved, and then formed on the aqueous solution surface. There is one in which a monomolecular film is transferred onto a substrate using a Langmuir-Blodgett method (LB method) (see Patent Document 1).
また、前記水溶液として、第1の無機ハライドとアルカリ金属のハロゲン化物からなる1種以上の第2の無機ハライドとを溶解させた水溶液を用いるものもある(特許文献2参照)。 In addition, as the aqueous solution, there is an aqueous solution in which a first inorganic halide and one or more second inorganic halides made of an alkali metal halide are dissolved (see Patent Document 2).
また、このような層状ペロブスカイト薄膜は、その用途の一例として、励起子ポラリトンスイッチ(特許文献3参照)が提案されており、さらに、光励起レーザ発振(特許文献4参照)、ハロゲン化鉛系層状ペロブスカイトを発光層として用い、有機電界発光素子におけるキャリヤ集約による高効率発光の原理を応用した新しいレーザ発振素子(非特許文献1参照)、ハロゲン化鉛ペロブスカイトの薄い層を 2 つのミラーで挟んで成る光駆動レーザ(非特許文献2参照)が提案されている。 In addition, as an example of such a layered perovskite thin film, an exciton polariton switch (see Patent Document 3) has been proposed. Furthermore, optically pumped laser oscillation (see Patent Document 4), lead halide layered perovskite Is a new laser oscillation device (see Non-Patent Document 1) that applies the principle of high-efficiency light emission due to carrier aggregation in organic electroluminescence devices, and light that consists of a thin layer of lead halide perovskite sandwiched between two mirrors A drive laser (see Non-Patent Document 2) has been proposed.
さらには新しいレーザ光源としてのキャビティポラリトンレーザ(cavity polariton laser)への応用の可能性も示唆されており(非特許文献3)、混合されたアルキル鎖の長いアルキルアミンと短鎖のアルキルアミンから短鎖のアルキルアミンを表面圧をかけることで単分子膜から追い出して形成される層状ペロブスカイト薄膜を用いてキャビティポラリトンレーザを実現できる可能性が示唆されている(非特許文献4参照)。 Furthermore, the possibility of application to a cavity polariton laser as a new laser light source has been suggested (Non-patent Document 3). It has been suggested that a cavity polariton laser can be realized using a layered perovskite thin film formed by driving a chain alkylamine out of a monomolecular film by applying a surface pressure (see Non-Patent Document 4).
特に、キャビティポラリトンレーザについては、従来のレーザでは得られない優れた可能性を秘めている。すなわち、従来のレーザは、四準位系であり、反転分布形成には多大な光エネルギー(閾値)が要求されるものである。これに対して、キャビティポラリトンレーザは、キャビティポラリトンから得られるボーズ−アインシュタイン凝縮(Bose-Einstein Condensation:BEC)を利用することによって、自発的にレーザ光が発振される。そのため、キャビティポラリトンレーザは、無閾値レーザとも呼べる画期的な技術であり、その実現が切望されている。 In particular, the cavity polariton laser has an excellent possibility that cannot be obtained by a conventional laser. That is, the conventional laser is a four-level system, and a large amount of light energy (threshold value) is required to form the inversion distribution. On the other hand, a cavity polariton laser spontaneously oscillates a laser beam by utilizing Bose-Einstein condensation (BEC) obtained from the cavity polariton. Therefore, the cavity polariton laser is an epoch-making technique that can be called a thresholdless laser, and its realization is eagerly desired.
しかしながら、従来の層状ペロブスカイト薄膜の製造方法(例えば、上記特許文献1及び特許文献2)では、十分な光学特性を奏する光学的に均質で高品質な層状ペロブスカイト薄膜が得られていない。そのため、現状では、上記の励起子ポラリトンスイッチ(特許文献3参照)、光励起レーザ発振(特許文献4参照)、レーザ発振素子(非特許文献1参照)、光駆動レーザ(非特許文献2参照)、及びキャビティポラリトンレーザ(非特許文献3及び非特許文献4参照)等の各種の用途については、実用化に至っておらず、可能性が示唆されているにとどまっている。 However, in the conventional method for producing a layered perovskite thin film (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2 described above), an optically homogeneous and high-quality layered perovskite thin film exhibiting sufficient optical characteristics has not been obtained. Therefore, at present, the exciton polariton switch (see Patent Document 3), optically pumped laser oscillation (see Patent Document 4), laser oscillation element (see Non-Patent Document 1), optically driven laser (see Non-Patent Document 2), In addition, various uses such as a cavity polariton laser (see Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4) have not been put into practical use, and the possibility has been suggested only.
この一つの原因としては、ラングミュアー−ブロジェット法(LB法)に特有な操作が挙げられる。すなわち、ラングミュアー−ブロジェット法(LB法)は、液面上に形成された単分子膜から効率的に薄膜を基板上に移し取る手法であるが、当該液面上に形成された単分子膜の結晶性(均質性)が不十分であることによって、最終生成物である層状ペロブスカイト薄膜の品質の低下を引き起こし、結果として、光学的に均質な品質の層状ペロブスカイト薄膜が得られなくなる。 One cause of this is an operation specific to the Langmuir-Blodgett method (LB method). That is, the Langmuir-Blodgett method (LB method) is a method for efficiently transferring a thin film from a monomolecular film formed on a liquid surface onto a substrate, but a single molecule formed on the liquid surface. If the crystallinity (homogeneity) of the film is insufficient, the quality of the layered perovskite thin film, which is the final product, is deteriorated. As a result, a layered perovskite thin film having an optically uniform quality cannot be obtained.
例えば、従来の層状ペロブスカイト薄膜の製造方法では、特許文献1及び特許文献2に示されるように、無機ハライドを溶解した水溶液に、有機アンモニウム分子を溶解した有機溶媒溶液を滴下するものの、当該滴下後の単分子膜形成後、単分子膜圧縮過程における層状ペロブスカイト薄膜作製において、単分子膜の崩壊を経由して層状ペロブスカイト構造を形成している。そのため、光学的に不均質な薄膜が形成されている。 For example, in the conventional method for producing a layered perovskite thin film, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, an organic solvent solution in which an organic ammonium molecule is dissolved is dropped into an aqueous solution in which an inorganic halide is dissolved. After the formation of the monomolecular film, in the production of the layered perovskite thin film in the process of compressing the monomolecular film, the layered perovskite structure is formed via the collapse of the monomolecular film. Therefore, an optically inhomogeneous thin film is formed.
また、従来の層状ペロブスカイト薄膜の製造方法では、例えば、非特許文献4の実験により得られた単分子膜の表面圧−面積曲線によれば、単純な右下がり曲線が示されており、曲線中に平坦な領域(すなわち、プラトー領域)が観測されていないことからも、凝縮領域で構造形成が完了しておらず、均質性が低いペロブスカイト構造が形成されたことが確認される。 Further, in the conventional method for producing a layered perovskite thin film, for example, according to the surface pressure-area curve of the monomolecular film obtained by the experiment of Non-Patent Document 4, a simple downward curve is shown. Since no flat region (that is, plateau region) is observed, it is confirmed that the formation of the structure is not completed in the condensation region and a perovskite structure with low homogeneity is formed.
また、層状ペロブスカイト薄膜を用いたキャビティポラリトンレーザへの応用も期待されているが、その実現に際しては、キャビティ内の光子と励起子の強結合(ラビ分裂)が必要不可欠であり、層状ペロブスカイト薄膜は大きなラビ分裂が期待できるものの、キャビティ長のナノレベルでの制御が非常に難しく、上述したように、光学的に十分な品質の層状ペロブスカイト薄膜が得られていない現状では、優れた光学特性を有する高品質な層状ペロブスカイト薄膜の製造方法を確立することが最重要課題となっている。 Application to a cavity polariton laser using a layered perovskite thin film is also expected, but in order to achieve this, strong coupling between photons and excitons (rabi splitting) in the cavity is indispensable. Although large Rabi splitting can be expected, it is very difficult to control the cavity length at the nano level, and as described above, optically sufficient quality layered perovskite thin films have not been obtained. Establishing a method for producing high-quality layered perovskite thin films is the most important issue.
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、光学特性に優れた層状ペロブスカイト薄膜の製造方法、及びそれを用いたキャビティポラリトンレーザの提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a layered perovskite thin film having excellent optical characteristics and a cavity polariton laser using the same.
本発明者は、LB法を用いた薄膜形成を鋭意研究した結果、液面上に形成される薄膜の均質性を飛躍的に高める手法を見出し、上述のごとき目的を達成し得る新しいタイプの層状ペロブスカイト薄膜の製造方法を見出すことに成功した。 As a result of diligent research on thin film formation using the LB method, the present inventor has found a method for dramatically improving the homogeneity of a thin film formed on a liquid surface, and is a new type of layered material that can achieve the above-described purpose. We have succeeded in finding a method for producing perovskite thin films.
かくして、本願に開示する層状ペロブスカイト薄膜の製造方法は、有機層と無機層が交互に積層した層状ペロブスカイト構造を有する層状ペロブスカイト薄膜の製造方法であって、無機溶液に溶解しない非水系溶媒に、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンを溶解させて均一に混合した有機溶液を得る混合工程と、無機ハライドを含む無機ハライド溶液に、前記有機溶液を滴下し、当該無機ハライド溶液の液面上に不均一有機膜を形成する滴下工程と、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数の増減に伴って相補的に減増される押圧速度によって、前記不均一有機膜を含む無機ハライド溶液を、当該溶液面に沿って横方向に押圧し、当該無機ハライド溶液の液面上に単分子膜を形成する押圧工程と、前記押圧工程により液面上に形成された単分子膜を、ラングミュアー−ブロジェット法を用いて基板上に移し取る単分子膜移取工程とを含むものである。 Thus, the method for producing a layered perovskite thin film disclosed in the present application is a method for producing a layered perovskite thin film having a layered perovskite structure in which an organic layer and an inorganic layer are alternately laminated. The organic solution is dropped into an inorganic halide solution containing an inorganic halide and mixed to obtain a uniformly mixed organic solution by dissolving a chain alkylamine and a short-chain alkylamine, and the organic halide solution is not deposited on the liquid surface of the inorganic halide solution. An inorganic halide containing the heterogeneous organic film by a dropping step for forming a uniform organic film and a pressing speed that is complementarily decreased as the number of carbon atoms in the alkyl chain of the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine is increased or decreased. Pressing the solution laterally along the solution surface to form a monomolecular film on the surface of the inorganic halide solution; and the pressing The monomolecular film formed on the liquid surface by degree, Langmuir - is intended to include a monolayer Utsuto step of taking transferred on a substrate using a Blodgett method.
このように、本願に開示する層状ペロブスカイト薄膜の製造方法は、無機溶液に溶解しない非水系溶媒に、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンを溶解させて均一に混合した有機溶液を得る混合工程と、無機ハライドを含む無機ハライド溶液に、前記有機溶液を滴下し、当該無機ハライド溶液の液面上に不均一有機膜を形成する滴下工程と、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数の増減に伴って相補的に減増される押圧速度によって、前記不均一有機膜を含む無機ハライド溶液を、当該溶液面に沿って横方向に押圧し、当該無機ハライド溶液の液面上に単分子膜を形成する押圧工程と、前記押圧工程により液面上に形成された単分子膜を、ラングミュアー−ブロジェット法を用いて基板上に移し取る単分子膜移取工程とを含むことから、混合工程により長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンが均一に溶解した有機溶液が、滴下工程により無機ハライド溶液に滴下されることによって、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンが共に無機ハライド溶液中に均質的に分散され、短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数が長鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数に近付くにつれて押圧速度が遅くなるように制御されることによって、短鎖アルキルアミンの分子サイズが長鎖アルキルアミンに近い場合(相対的に大きい分子サイズの場合)には、短鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液中に沈み難くなるものの、遅い押圧速度で押圧されることから、じっくりと確実に均一な分散性を維持した状態で沈み込み、その一方で、短鎖アルキルアミンの分子サイズが長鎖アルキルアミンと差異が大きくなる場合(相対的に小さい分子サイズの場合)には、短鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液中に沈み易くなるものの、速い押圧速度で押圧されることから、均一な分散性を維持した状態で迅速且つ確実に沈み込み、いずれの場合でも、短鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液中に均一かつ確実に沈み込む状況となり、無機ハライド溶液を、当該溶液面に沿って横方向に押圧することによって、無機ハライド溶液中に均一に分散された長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンから、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンの対応は維持されたまま、短鎖アルキルアミンを選択的に無機ハライド溶液中に確実に沈み込ませて長鎖アルキルアミンから分離されることとなり、均一性の高い長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンの分散によって、当該長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンに無機ハライド溶液中の無機ハライドが挟み込まれ、有機層と無機層が交互に精密に積層した層状ペロブスカイト構造が形成され、均一性及び精密性の高い層状ペロブスカイト薄膜が確実に得られる。 As described above, the method for producing a layered perovskite thin film disclosed in the present application includes a mixing step of dissolving a long-chain alkylamine and a short-chain alkylamine in a non-aqueous solvent that does not dissolve in an inorganic solution to obtain a uniformly mixed organic solution; A dropping step of dropping the organic solution into an inorganic halide solution containing an inorganic halide to form a heterogeneous organic film on the liquid surface of the inorganic halide solution; and an alkyl chain of a long-chain alkylamine and a short-chain alkylamine. The inorganic halide solution containing the heterogeneous organic film is pressed laterally along the solution surface by a pressing speed that is complementarily increased as the number of carbon atoms increases or decreases, and on the liquid surface of the inorganic halide solution. A step of forming a monomolecular film on the substrate, and a monomolecule that transfers the monomolecular film formed on the liquid surface by the pressing step onto the substrate using the Langmuir-Blodgett method. An organic solution in which the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine are uniformly dissolved in the mixing step is dropped into the inorganic halide solution in the dropping step, whereby the long-chain alkylamine and the short-chain are included. Both alkylamines are homogeneously dispersed in the inorganic halide solution, and the pressing speed is controlled to decrease as the carbon number of the alkyl chain of the short-chain alkylamine approaches the carbon number of the alkyl chain of the long-chain alkylamine. If the molecular size of the short-chain alkylamine is close to that of the long-chain alkylamine (when the molecular size is relatively large), the short-chain alkylamine is difficult to sink in the inorganic halide solution, but it is pressed at a slow pressing speed. Therefore, it sinks in a state in which it maintains a uniform dispersibility carefully, while the short-chain alkyl When the molecular size of the polymer is significantly different from that of the long-chain alkylamine (in the case of a relatively small molecular size), the short-chain alkylamine tends to sink into the inorganic halide solution, but is pressed at a high pressing speed. Therefore, it quickly and surely sinks while maintaining uniform dispersibility, and in any case, the short-chain alkylamine sinks uniformly and reliably into the inorganic halide solution, and the inorganic halide solution By pressing laterally along the surface, the correspondence of the long chain alkylamine and the short chain alkylamine is maintained from the long chain alkylamine and the short chain alkylamine uniformly dispersed in the inorganic halide solution, The short-chain alkylamine is selectively submerged in the inorganic halide solution and separated from the long-chain alkylamine. A layered perovskite in which the inorganic halide in the inorganic halide solution is sandwiched between the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine by the dispersion of the high-chain alkylamine and the short-chain alkylamine, and the organic layer and the inorganic layer are alternately laminated precisely. A structure is formed, and a layered perovskite thin film with high uniformity and precision is reliably obtained.
また、本願に開示する層状ペロブスカイト薄膜の製造方法は、必要に応じて、前記長鎖アルキルアミンが、炭素数16〜28のアルキル鎖を有し、前記短鎖アルキルアミンが、前記長鎖アルキルアミンに含まれるアルキル鎖の炭素数よりも2以上少ない炭素数のアルキル鎖を有するものである。このように、前記長鎖アルキルアミンが、炭素数16〜28のアルキル鎖を有し、前記短鎖アルキルアミンが、前記長鎖アルキルアミンに含まれるアルキル鎖の炭素数よりも2以上少ない炭素数のアルキル鎖を有することから、前記短鎖アルキルアミンが水相(無機ハライド溶液)に溶け込まない分子サイズを維持しつつ、前記長鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液上に浮き易くなると共に、前記短鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液中に沈み込み易くなるという分子サイズ関係が形成されることとなり、より光学的に高品質な層状ペロブスカイト薄膜を得ることができる。 Further, in the method for producing a layered perovskite thin film disclosed in the present application, if necessary, the long-chain alkylamine has an alkyl chain having 16 to 28 carbon atoms, and the short-chain alkylamine is the long-chain alkylamine. Have an alkyl chain having 2 or more carbon atoms less than the carbon number of the alkyl chain contained in. Thus, the long-chain alkylamine has an alkyl chain having 16 to 28 carbon atoms, and the short-chain alkylamine has 2 or more carbon atoms less than the carbon number of the alkyl chain contained in the long-chain alkylamine. Thus, while maintaining the molecular size that the short-chain alkylamine does not dissolve in the aqueous phase (inorganic halide solution), the long-chain alkylamine tends to float on the inorganic halide solution, and the short-chain alkylamine A molecular size relationship is formed in which the alkylamine easily sinks into the inorganic halide solution, and a more optically high quality layered perovskite thin film can be obtained.
また、本願に開示する層状ペロブスカイト薄膜の製造方法は、必要に応じて、前記押圧工程の押圧速度が、1.0×10−20m2/(分子・秒)〜4.5×10−20m2/(分子・秒)であるものである。このように、前記押圧工程の押圧速度が、1.0×10−20m2/(分子・秒)〜4.5×10−20m2/(分子・秒)であることから、当該押圧速度によって、前記短鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液中に沈み込みやすい状況が得られることとなり、より光学的に高品質な層状ペロブスカイト薄膜が得られる。 Further, in the method for producing a layered perovskite thin film disclosed in the present application, the pressing speed of the pressing step is 1.0 × 10 −20 m 2 / (molecule · second) to 4.5 × 10 −20 as necessary. m 2 / (numerator · second). Thus, the pressing speed of the pressing step is 1.0 × 10 −20 m 2 / (molecule · second) to 4.5 × 10 −20 m 2 / (molecule · second). Depending on the speed, the short chain alkylamine is likely to sink into the inorganic halide solution, and a more optically high quality layered perovskite thin film is obtained.
また、本願に開示するキャビティポラリトンレーザは、上記の本願に開示する層状ペロブスカイト薄膜の製造方法により製造された層状ペロブスカイト薄膜から成る発光層と、前記発光層に積層され、紫外可視域に吸収を持たないラングミュアー−ブロジェット膜から成るバッファー層と、前記発光層及びバッファー層に積層され、誘電体ミラー及び/又は金属ミラーから形成されるミラー層とを備え、微小共振器構造を有するものである。このように、本願に開示するキャビティポラリトンレーザは、上記層状ペロブスカイト薄膜から成る発光層と、前記発光層に積層され、紫外可視域に吸収を持たないラングミュアー−ブロジェット膜から成るバッファー層と、前記発光層及びバッファー層に積層され、誘電体ミラー及び/又は金属ミラーから形成されるミラー層とを備えて微小共振器構造を有することから、上記の光学的に高品質な層状ペロブスカイト薄膜によりキャビティ長のナノレベルでの制御が容易に行えることとなり、自発的にレーザ光が発振される無閾値レーザが実現できる。 Further, the cavity polariton laser disclosed in the present application is laminated on the light emitting layer and has an absorption in the ultraviolet-visible region, and is formed of a layered perovskite thin film manufactured by the method for manufacturing a layered perovskite thin film disclosed in the present application. A micro-resonator structure having a buffer layer made of no Langmuir-Blodgett film and a mirror layer formed on the light emitting layer and the buffer layer and formed of a dielectric mirror and / or a metal mirror. . Thus, the cavity polariton laser disclosed in the present application includes a light emitting layer composed of the layered perovskite thin film, a buffer layer composed of a Langmuir-Blodgett film laminated on the light emitting layer and having no absorption in the ultraviolet-visible region, The optically high-quality layered perovskite thin film described above has a microresonator structure that is laminated on the light emitting layer and the buffer layer and includes a mirror layer formed of a dielectric mirror and / or a metal mirror. The long nano-level control can be easily performed, and a thresholdless laser in which laser light is oscillated spontaneously can be realized.
また、本願に開示するキャビティポラリトンレーザは、必要に応じて、前記ミラー層の積層間隔が、レーザ波長のn/2(nは自然数)であり、前記発光層が、前記ミラー層積層間に生じる定在波の強度が最大値となる位置に配設されるものである。このように、前記ミラー層の積層間隔が、レーザ波長のn/2(nは自然数)であり、前記発光層が、前記ミラー層積層間に生じる定在波の強度が最大値となる位置に配設されることから、より強度の高いレーザ光が発光されることとなり、高い光学特性を有するキャビティポラリトンレーザを得ることができる。 In addition, in the cavity polariton laser disclosed in the present application, the stacking interval of the mirror layers is n / 2 of the laser wavelength (n is a natural number), and the light emitting layer is generated between the mirror layer stacks as necessary. It is arranged at a position where the intensity of the standing wave becomes the maximum value. Thus, the stacking interval of the mirror layers is n / 2 of the laser wavelength (n is a natural number), and the light emitting layer is at a position where the intensity of the standing wave generated between the mirror layer stacks becomes the maximum value. Since it is disposed, a laser beam with higher intensity is emitted, and a cavity polariton laser having high optical characteristics can be obtained.
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態に係る層状ペロブスカイト薄膜の製造方法を、図1に基づいて説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the manufacturing method of the layered perovskite thin film which concerns on 1st Embodiment is demonstrated based on FIG.
本実施形態に係る層状ペロブスカイト薄膜の製造方法は、先ず、図1(a−1)に示すように、無機溶液に溶解しない非水系溶媒に、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンを溶解させて均一に混合した有機溶液を得る(S1:混合工程) In the method for producing a layered perovskite thin film according to this embodiment, first, as shown in FIG. 1 (a-1), a long-chain alkylamine and a short-chain alkylamine are dissolved in a non-aqueous solvent that does not dissolve in an inorganic solution. Obtain a uniformly mixed organic solution (S1: mixing step)
長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンは、アルキル鎖の長さが異なる2種類のアルキルアミンであれば特に限定されないが、反応性を高めるために、ハロゲン元素を含有していることが好ましいことから、一般式CnH2n+1NH3X(Xはハロゲン元素、nは自然数)で表されるハロゲン化アルキルアミンであることが好ましい。 The long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine are not particularly limited as long as they are two types of alkylamines having different alkyl chain lengths, but preferably contain a halogen element in order to increase the reactivity. And a halogenated alkylamine represented by the general formula C n H 2n + 1 NH 3 X (where X is a halogen element and n is a natural number).
また、長鎖アルキルアミンは、炭素数16〜28のアルキル鎖を有するものであり、より好ましくは、炭素数16〜22のアルキル鎖を有するものである。また、短鎖アルキルアミンは、長鎖アルキルアミンに含まれるアルキル鎖の炭素数よりも2以上少ない炭素数のアルキル鎖を有することが好ましく、当該炭素数の下限は、水相(無機ハライド溶液)に溶け込まなければ特に限定されるものではないが、短鎖アルキルアミンが無機ハライド溶液に確実に溶解しないという点から、短鎖アルキルアミンに含まれるアルキル鎖の炭素数は、12以上であることがより好ましい。 Further, the long-chain alkylamine has an alkyl chain having 16 to 28 carbon atoms, and more preferably has an alkyl chain having 16 to 22 carbon atoms. The short-chain alkylamine preferably has an alkyl chain having 2 or more carbon atoms less than the carbon number of the alkyl chain contained in the long-chain alkylamine, and the lower limit of the carbon number is the water phase (inorganic halide solution). The number of carbon atoms of the alkyl chain contained in the short-chain alkylamine is 12 or more from the viewpoint that the short-chain alkylamine does not surely dissolve in the inorganic halide solution. More preferred.
すなわち、この短鎖アルキルアミンは、メチルアミン又はその誘導体のように、そのアルキル鎖が極端に短いものについては、水相(無機ハライド溶液)に溶け込みやすいことから、対象に含まれない。 That is, this short-chain alkylamine is not included in the subject because it has an extremely short alkyl chain, such as methylamine or a derivative thereof, because it easily dissolves in the aqueous phase (inorganic halide solution).
このような点から、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンの好適な組み合わせの一例としては、長鎖アルキルアミンをドコシルアミン臭化水素酸塩(C22H45NH3Br)、短鎖アルキルアミンをヘキサデシルアミン臭化水素酸塩(C16H33NH3Br)とすることができる。 In this respect, as an example of a suitable combination of a long-chain alkylamine and a short-chain alkylamine, long-chain alkylamine is represented by docosylamine hydrobromide (C 22 H 45 NH 3 Br), and short-chain alkylamine is represented by It can be hexadecylamine hydrobromide (C 16 H 33 NH 3 Br).
また、無機溶液に溶解しない非水系溶媒としては、水に溶解しない溶媒であれば特に限定されないが、例えば、トルエン、クロロホルム、ジクロロメタンなどを挙げることができる。 The non-aqueous solvent that does not dissolve in the inorganic solution is not particularly limited as long as it is a solvent that does not dissolve in water, and examples thereof include toluene, chloroform, and dichloromethane.
上記の混合に際しては攪拌や振動と共に実施してもよい。このように、この有機溶液が、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンを非水系溶媒に溶解させて均一に混合した状態となることから、後続の滴下工程以降においても、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンが非常に密な状態を維持することができ、結果として、精密なペロブスカイト構造で構成された層状ペロブスカイト薄膜を形成することが可能となる。 The mixing may be performed with stirring and vibration. Thus, since this organic solution is in a state in which the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine are dissolved in the non-aqueous solvent and uniformly mixed, the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine and the short-chain alkylamine are added even after the subsequent dropping step. The chain alkylamine can be maintained in a very dense state, and as a result, a layered perovskite thin film having a precise perovskite structure can be formed.
次に、図1(a−2)に示すように、無機ハライドを含む無機ハライド溶液に、この有機溶液を滴下し、当該無機ハライド溶液の液面上に不均一有機膜を形成する(S2:滴下工程) Next, as shown in FIG. 1 (a-2), this organic solution is dropped into an inorganic halide solution containing an inorganic halide to form a heterogeneous organic film on the liquid surface of the inorganic halide solution (S2: (Drip process)
この無機ハライドは、ハロゲン原子を含有するものであれば特に限定されず、一般式MX2(Mは、アルカリ金属、遷移金属又はIV族元素を示し、Xはハロゲン化物イオンを示す)で表すことができる。Mは、Pb、Li、Na、K、Ge、Sn、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及びCdから成る群から選択することができるが、最終生成物である層状ペロブスカイト薄膜の光学特性を向上させるという点から、鉛(Pb)を含有していることが好ましい。 The inorganic halide is not particularly limited as long as it contains a halogen atom, and is represented by the general formula MX 2 (M represents an alkali metal, a transition metal, or a group IV element, and X represents a halide ion). Can do. M can be selected from the group consisting of Pb, Li, Na, K, Ge, Sn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Cd, but the final product is a layered perovskite thin film. From the viewpoint of improving the optical characteristics, it is preferable to contain lead (Pb).
このように鉛(Pb)を含有して構成されるハロゲン化鉛系層状ペロブスカイト化合物は、有機アミン誘電体層とハロゲン化鉛半導体層からなる量子井戸構造を形成し、その強い量子閉じ込め効果から高い束縛エネルギーや振動子強度を有する励起子を形成することができる。さらに、高効率の励起子発光を示すことや、ナノスケールで膜厚が制御できる可能性があることから、キャビティポラリトンレーザへの応用が期待されるものである。 Thus, the lead halide layered perovskite compound composed of lead (Pb) forms a quantum well structure composed of an organic amine dielectric layer and a lead halide semiconductor layer, and is high due to its strong quantum confinement effect. Excitons having binding energy and oscillator strength can be formed. Furthermore, since it exhibits high-efficiency exciton light emission and the possibility of controlling the film thickness at the nanoscale, it is expected to be applied to a cavity polariton laser.
このようなことから、この無機ハライドは、ハロゲン化鉛であることが好ましく、例えば、臭化鉛、塩化鉛、フッ化鉛などを用いることができる。また、無機ハライド溶液は、複数の無機ハライドを混合しても良く、例えば、上記のハロゲン化鉛に加えて、臭化ナトリウム、臭化リチウム、臭化カリウム等のアルカリ金属ハライドを混合して無機ハライド溶液を構成してもよい。 For this reason, the inorganic halide is preferably lead halide. For example, lead bromide, lead chloride, lead fluoride, or the like can be used. In addition, the inorganic halide solution may be a mixture of a plurality of inorganic halides. For example, in addition to the above lead halide, an alkali metal halide such as sodium bromide, lithium bromide, potassium bromide or the like may be mixed to be inorganic. You may comprise a halide solution.
この有機溶液の滴下については、常温で可能であり、滴下速度等の条件は特に限定されない。また、この不均一有機膜は、液面が浮き墨のように疎らに分散された膜で覆われた状態を指す。 About dripping of this organic solution, it is possible at normal temperature, and conditions, such as dripping speed | rate, are not specifically limited. In addition, this non-uniform organic film refers to a state where the liquid surface is covered with a sparsely dispersed film such as floating ink.
次に、図1(a−3)に示すように、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数の増減に伴って相補的に減増される押圧速度によって、前記不均一有機膜を含む無機ハライド溶液を、当該溶液面に沿って横方向に押圧し、この無機ハライド溶液の液面上に単分子膜を形成する(S3:押圧工程)。 Next, as shown in FIG. 1 (a-3), the heterogeneous organic compound is formed by a pressing speed that is complementarily increased as the carbon number of the alkyl chain of the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine is increased or decreased. An inorganic halide solution containing a film is pressed laterally along the solution surface to form a monomolecular film on the liquid surface of the inorganic halide solution (S3: pressing step).
この押圧は、当該溶液面に沿って横方向に作用するものであり、この押圧力は一定とすることができる。この押圧速度(圧縮速度ともいう)は、図1(b)に示すように、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数の大小関係に相反して制御される。 This pressing acts in the lateral direction along the solution surface, and this pressing force can be made constant. As shown in FIG. 1B, the pressing speed (also referred to as compression speed) is controlled in contradiction to the magnitude relationship between the carbon numbers of the alkyl chains of the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine.
すなわち、この押圧速度(圧縮速度)は、短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数が長鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数に近付くに従って、より遅くなるように設定される。また、短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数が長鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数と差異が大きくなるに従って、より速くなるように設定される。 That is, the pressing speed (compression speed) is set so as to become slower as the carbon number of the alkyl chain of the short-chain alkylamine approaches the carbon number of the alkyl chain of the long-chain alkylamine. In addition, the carbon number of the alkyl chain of the short-chain alkylamine is set to be faster as the difference from the carbon number of the alkyl chain of the long-chain alkylamine increases.
また、押圧速度(圧縮速度)と温度との関連性については、温度が高くなるに従って押圧速度を速くし、逆に温度が低くなるに従って押圧速度を遅くすることが好ましい。 As for the relationship between the pressing speed (compression speed) and the temperature, it is preferable to increase the pressing speed as the temperature increases, and conversely to decrease the pressing speed as the temperature decreases.
例えば、20℃で長鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数が22で且つ短鎖アルキルアミンの当該炭素数が16の場合については、 押圧速度は、1.0×10−20m2/(分子・秒)〜4.5×10−20m2/(分子・秒)であることが好ましく、より好ましくは、1.0×10−20m2/(分子・秒)〜2.0×10−20m2/(分子・秒)であり、特に好ましくは、1.7×10−20m2/(分子・秒)である。 For example, when the carbon number of the alkyl chain of the long-chain alkylamine is 22 and the carbon number of the short-chain alkylamine is 16 at 20 ° C., the pressing speed is 1.0 × 10 −20 m 2 / (molecule Second) to 4.5 × 10 −20 m 2 / (molecule · second), more preferably 1.0 × 10 −20 m 2 / (molecule · second) to 2.0 × 10. −20 m 2 / (molecules · second), particularly preferably 1.7 × 10 −20 m 2 / (molecules · second).
このように、押圧速度を調整することによって、図1(a−4)に示すように、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンの対応を維持した状態(互いに近傍に存在する状態)で、短鎖アルキルアミンを選択的に無機ハライド溶液中に確実に沈み込ませる(スクイーズドアウトする)ことができる。この結果、短鎖アルキルアミンは、長鎖アルキルアミンとの対応を維持した状態(近傍に所在したままの状態)で、長鎖アルキルアミンから選択的且つ均質的に分離される。 In this way, by adjusting the pressing speed, as shown in FIG. 1 (a-4), the correspondence between the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine is maintained (a state in the vicinity of each other), and the short The chain alkylamine can be selectively submerged (squeezed out) into the inorganic halide solution selectively. As a result, the short-chain alkylamine is selectively and homogeneously separated from the long-chain alkylamine in a state where the correspondence with the long-chain alkylamine is maintained (the state where the short-chain alkylamine is located in the vicinity).
このようにして、図1(a−5)に示すように、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンが、無機ハライド溶液中に、高い均質性で分散された状態で、当該長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンに無機ハライド溶液中の無機ハライドが挟み込まれ、有機層と無機層が交互に精密に積層した層状ペロブスカイト構造が液面上に形成されることとなり、均一性及び精密性の高い単分子膜が確実に形成される。 In this way, as shown in FIG. 1 (a-5), the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine are dispersed in the inorganic halide solution with high homogeneity, and the long-chain alkylamine and An inorganic halide in an inorganic halide solution is sandwiched between short-chain alkylamines, and a layered perovskite structure in which organic layers and inorganic layers are alternately and precisely laminated is formed on the liquid surface. A molecular film is reliably formed.
この点において、短鎖アルキルアミンを予め含有した無機ハライド溶液に対して、長鎖アルキルアミンを滴下するような場合を想定すると、無機ハライド溶液中の短鎖アルキルアミンは不均一に分散された状態であることから、長鎖アルキルアミンを滴下した時点で、短鎖アルキルアミンと密に対向できるかどうかは確率的なものとなり、無機ハライド溶液の液面に形成される単分子膜の均質性は不安定なものとなる。このように不均質な単分子膜が一旦形成されると、単分子膜を圧縮する際に、単分子膜の崩壊を経由して層状ペロブスカイト構造が形成され、光学的に不均質な薄膜が形成されることとなる。 In this regard, assuming that a long-chain alkylamine is added dropwise to an inorganic halide solution containing a short-chain alkylamine in advance, the short-chain alkylamine in the inorganic halide solution is dispersed in a non-uniform manner. Therefore, when the long-chain alkylamine is dropped, it is probable whether it can be closely opposed to the short-chain alkylamine, and the homogeneity of the monomolecular film formed on the liquid surface of the inorganic halide solution is It becomes unstable. Once a heterogeneous monomolecular film is formed in this way, a layered perovskite structure is formed via the collapse of the monomolecular film when the monomolecular film is compressed, and an optically heterogeneous thin film is formed. Will be.
これに対して、本実施形態によれば、上述のように、有機層と無機層が交互に精密に積層した層状ペロブスカイト構造を有する単分子膜が液面上に形成されることとなり、均一性及び精密性の高い単分子膜が確実に形成される。 On the other hand, according to the present embodiment, as described above, a monomolecular film having a layered perovskite structure in which organic layers and inorganic layers are alternately and precisely laminated is formed on the liquid surface. In addition, a highly precise monomolecular film is reliably formed.
次に、得られた単分子膜を、ラングミュアー−ブロジェット法(LB法)を用いて基板上に1層ずつ移し取って積層する(S4:単分子膜移取工程)。この基板は、特に限定されないが、入手の容易性から、石英ガラス基板(透明石英ガラス)を用いることができ、例えば、疎水化処理された石英ガラス基板(透明石英ガラス)を用いることができる。 Next, the obtained monomolecular film is transferred and laminated on the substrate one layer at a time using the Langmuir-Blodgett method (LB method) (S4: monomolecular film transfer step). Although this board | substrate is not specifically limited, A quartz glass board | substrate (transparent quartz glass) can be used from availability, For example, the quartz glass board | substrate (transparent quartz glass) hydrophobized can be used.
この積層によって、単分子層レベルで膜厚や構造を制御できる層状ペロブスカイト化合物薄膜を作製することができる。この層状ペロブスカイト化合物薄膜は、A2MX4(Aは有機アンモニウム分子、M及びXは上述したものと同じ)で示されるペロブスカイト構造を確かに有することが確認されている(後述の実施例参照)。 By this lamination, a layered perovskite compound thin film whose thickness and structure can be controlled at the monomolecular layer level can be produced. It has been confirmed that this layered perovskite compound thin film surely has a perovskite structure represented by A 2 MX 4 (A is an organic ammonium molecule, and M and X are the same as those described above) (see Examples below). .
上記に従い製造された層状ペロブスカイト薄膜は、各種の光学機器への応用が可能である。その用途の一例として、上記に従い製造された層状ペロブスカイト薄膜を用いたキャビティポラリトンレーザについて以下説明する。 The layered perovskite thin film manufactured according to the above can be applied to various optical devices. As an example of the application, a cavity polariton laser using a layered perovskite thin film manufactured according to the above will be described below.
本実施形態に係るキャビティポラリトンレーザは、上記層状ペロブスカイト薄膜の製造方法により製造された層状ペロブスカイト薄膜から成る発光層と、前記発光層に積層され、紫外可視域に吸収を持たないラングミュアー−ブロジェット膜から成るバッファー層と、前記発光層及びバッファー層に積層され、誘電体ミラー及び/又は金属ミラーから形成されるミラー層とを備え、微小共振器構造を有する構成である。 A cavity polariton laser according to the present embodiment includes a light emitting layer made of a layered perovskite thin film manufactured by the method for manufacturing a layered perovskite thin film, and a Langmuir-Blodget that is laminated on the light emitting layer and has no absorption in the ultraviolet-visible region. The structure includes a buffer layer made of a film and a mirror layer laminated on the light emitting layer and the buffer layer and formed of a dielectric mirror and / or a metal mirror, and has a microresonator structure.
この紫外可視域に吸収を持たないラングミュアー−ブロジェット膜の素材は、特に限定されないが、例えば、アラキジン酸カドミウムを用いることができる。また、ミラーの反射率は、90%〜99.9%となるように調整することが好ましい。 The material of the Langmuir-Blodgett film that does not absorb in the ultraviolet-visible region is not particularly limited, and for example, cadmium arachidate can be used. Further, the reflectance of the mirror is preferably adjusted to be 90% to 99.9%.
このような構成により、上記で得られた光学的に高品質な層状ペロブスカイト薄膜によりキャビティ長のナノレベルでの制御が容易に行えることとなり、自発的にレーザ光が発振される無閾値レーザが実現できる。 With this configuration, the optically high-quality layered perovskite thin film obtained above can be easily controlled at the nano level of the cavity length, realizing a thresholdless laser that spontaneously oscillates laser light. it can.
また、前記ミラー層の積層間隔が、レーザ波長のn/2(nは自然数)であり、前記発光層が、前記ミラー層の上下の積層間に生じる定在波の強度が最大値となる位置に配設されることが好ましい。この場合には、より強度の高いレーザ光が発光されることとなり、高い光学特性を有するキャビティポラリトンレーザを得ることができる。 Further, the stacking interval of the mirror layers is n / 2 of the laser wavelength (n is a natural number), and the light emitting layer has a position where the intensity of the standing wave generated between the upper and lower stacks of the mirror layer becomes the maximum value. It is preferable to arrange | position in. In this case, laser light with higher intensity is emitted, and a cavity polariton laser having high optical characteristics can be obtained.
これまでキャビティポラリトンレーザはGaAs等の化合物半導体が用いられてきたが、高度な真空成膜技術を必要とするという欠点があった。これに対して、本実施形態に係る層状ペロブスカイト薄膜の製造方法を用いれば、常温常圧で簡易に作製できることとなり、光学的品質のみならずコストの面からも大きな利点が得られる。 Until now, compound semiconductors such as GaAs have been used for cavity polariton lasers, but they have the drawback of requiring advanced vacuum film formation techniques. On the other hand, if the method for producing a layered perovskite thin film according to the present embodiment is used, it can be easily produced at room temperature and normal pressure, and a great advantage is obtained not only in optical quality but also in terms of cost.
以下に実施例を示すが、これらの実施例は本発明に係る層状ペロブスカイト薄膜の製造方法を単に例示するためのものであり、本発明を限定するものではない。 Examples are shown below, but these examples are merely for illustrating the method for producing a layered perovskite thin film according to the present invention, and do not limit the present invention.
(実施例1)
ドコシルアミン臭化水素酸塩(C22H45NH3Br)及びヘキサデシルアミン臭化水素酸塩(C16H33NH3Br)をモル比1:1(10−4M)で溶解したクロロホルム:DMF=9:1溶液を、液温、室温20℃一定で、NaBr(0.5M) 及びPbBr2(2×10−3M)を混合した下層液(無機ハライド溶液)に展開した。
Example 1
Chloroform in which docosylamine hydrobromide (C 22 H 45 NH 3 Br) and hexadecylamine hydrobromide (C 16 H 33 NH 3 Br) are dissolved at a molar ratio of 1: 1 (10 −4 M): The DMF = 9: 1 solution was developed into a lower layer solution (inorganic halide solution) in which NaBr (0.5 M) and PbBr 2 (2 × 10 −3 M) were mixed at a liquid temperature and room temperature of 20 ° C. constant.
基板上に累積した層状ペロブスカイト薄膜の吸収スペクトルを図2に示す。臭化鉛系層状ペロブスカイトのバンドギャップは約3.2eVであり、それに相当した光を吸収するため、一般的に、波長390nmにピークが形成される。基板上に累積した層状ペロブスカイト薄膜の吸収スペクトルは、図2に示すように、波長390nmにピークが形成されたことから、基板上に確かにペロブスカイト構造が形成されていることが確認された。 The absorption spectrum of the layered perovskite thin film accumulated on the substrate is shown in FIG. A lead bromide-based layered perovskite has a band gap of about 3.2 eV and absorbs light corresponding to the band gap, so that a peak is generally formed at a wavelength of 390 nm. In the absorption spectrum of the layered perovskite thin film accumulated on the substrate, a peak was formed at a wavelength of 390 nm as shown in FIG. 2, so that it was confirmed that a perovskite structure was surely formed on the substrate.
基板上に累積した層状ペロブスカイト薄膜のXRD測定結果を図3に示す。回折ピークが、(00n)面と一致したことから、基板上に確かに層状のペロブスカイト構造が形成されていることが確認された。 The XRD measurement results of the layered perovskite thin film accumulated on the substrate are shown in FIG. Since the diffraction peak coincided with the (00n) plane, it was confirmed that a layered perovskite structure was surely formed on the substrate.
基板上に累積したペ層状ペロブスカイト薄膜のAFM観測結果を図4に示す。得られた結果から、平均粗さについて、キャビティポラリトンレーザで要求される波長の1/70という高水準な光学的に高品質な層状のペロブスカイト構造薄膜が得られたことが確認された。 FIG. 4 shows the AFM observation result of the layered perovskite thin film accumulated on the substrate. From the obtained results, it was confirmed that a high-level optically high-quality layered perovskite structure thin film having an average roughness of 1/70 of the wavelength required for the cavity polariton laser was obtained.
(実施例2)
液面上に形成された単分子膜の圧縮速度依存性を以下の3ケースの実験条件で測定した。液面上に形成された単分子膜の表面圧−面積曲線(π-A曲線)と反射スペクトルの結果を図5(a)に示す。結果としては、反射スペクトルで水面の上での構造を確認したところ、全ての速度で層状ペロブスカイト構造が形成されていることが確認された。
圧縮速度:
5cm2/分(0.9×10−20m2/(分子・秒))
10cm2/分(1.7×10−20m2/(分子・秒))
28cm2/分(4.8×10−20m2/(分子・秒))
(Example 2)
The compression rate dependence of the monomolecular film formed on the liquid surface was measured under the following three cases of experimental conditions. FIG. 5A shows the results of the surface pressure-area curve (π-A curve) and reflection spectrum of the monomolecular film formed on the liquid surface. As a result, when the structure on the water surface was confirmed by the reflection spectrum, it was confirmed that the layered perovskite structure was formed at all speeds.
Compression speed:
5 cm 2 / min (0.9 × 10 −20 m 2 / (molecule · second))
10 cm 2 / min (1.7 × 10 −20 m 2 / (molecule · second))
28 cm 2 / min (4.8 × 10 −20 m 2 / (molecule · second))
圧縮速度が10cm2/分(1.7×10−20m2/(分子・秒))の場合には、表面圧−面積曲線(π-A曲線)が滑らかな曲線として立ち上がり、均質な薄膜が形成されたことが確認された。 When the compression speed is 10 cm 2 / min (1.7 × 10 −20 m 2 / (molecule · second)), the surface pressure-area curve (π-A curve) rises as a smooth curve, and a homogeneous thin film It was confirmed that was formed.
これに対して、圧縮速度を速めて28cm2/分(4.8×10−20m2/(分子・秒))で実施したところ、初期の段階では膜が形成されたものの、速度が速すぎて膜が壊れ、均質な膜が形成されなかった。また、圧縮速度を遅くして5cm2/分(0.9×10−20m2/(分子・秒))で実施したところ、初期の段階では膜が形成されたものの、圧縮していくたびに膜が壊れ、均質な薄膜が形成されなかった。これは、アルキルアミン臭化水素酸塩が水相に溶け込んだことにより、極限面積の小さな単分子膜が形成されたものと推察される。 On the other hand, when the compression speed was increased to 28 cm 2 / min (4.8 × 10 −20 m 2 / (molecule · second)), a film was formed in the initial stage, but the speed was high. The film was broken too much and a homogeneous film was not formed. In addition, when the compression rate was slowed down and performed at 5 cm 2 / min (0.9 × 10 −20 m 2 / (molecules · second)), a film was formed at the initial stage. The film was broken and a homogeneous thin film was not formed. This is presumed that a monomolecular film having a small limit area was formed by the alkylamine hydrobromide dissolved in the aqueous phase.
反射スペクトルで水面の上での構造から、全ての速度で層状ペロブスカイト構造が形成されていることが確認されたが、このうち特に、圧縮速度が10cm2/分の場合に、最も均質性の高い膜が形成されたことが確認された。 From the structure on the water surface in the reflection spectrum, it was confirmed that the layered perovskite structure was formed at all speeds. Of these, the highest homogeneity was obtained especially when the compression speed was 10 cm 2 / min. It was confirmed that a film was formed.
この圧縮速度が10cm2/分の場合については、その表面圧−面積曲線(π-A曲線)から、プラトー領域が観測され、その後、表面圧の立ち上がりが確認された。また、反射スペクトルにおいてプラトー領域から臭化鉛ペロブスカイトに特有の励起子バンドに対応するピークが390nm付近に観測され、凝縮領域に達するとピーク値は飽和した。このことから、プラトー領域でヘキサデシルアミン臭化水素酸塩(C16H33NH3Br)が水相(無機ハライド溶液)へ押し出されて(スクイーズアウトして)、高い均質性のペロブスカイト構造が形成され、凝縮領域で構造形成が完了したことが確認された。 When the compression speed was 10 cm 2 / min, a plateau region was observed from the surface pressure-area curve (π-A curve), and then the rise of the surface pressure was confirmed. In the reflection spectrum, a peak corresponding to an exciton band peculiar to lead bromide perovskite was observed in the vicinity of 390 nm from the plateau region, and the peak value was saturated when reaching the condensation region. From this, hexadecylamine hydrobromide (C 16 H 33 NH 3 Br) is extruded (squeezed out) into the aqueous phase (inorganic halide solution) in the plateau region, and a highly homogeneous perovskite structure is obtained. It was confirmed that the structure formation was completed in the condensation region.
(実施例3)
上記に従い製造された層状ペロブスカイト薄膜を用いたキャビティポラリトンレーザを図6(a)の構成に従い作成した。
(Example 3)
A cavity polariton laser using the layered perovskite thin film manufactured according to the above was prepared according to the configuration of FIG.
キャビティポラリトンレーザは、図6(a)に示すように、発光層としての上記実施例1で得られた層状ペロブスカイト薄膜(60nm)と、この発光層に積層され、アラキジン酸カドミウムから形成されたバッファー層としてのLB膜と、前記発光層及びバッファー層に積層されたミラー層としてのアルミミラーから構成した。測定した波長(nm)と屈折率の関係を図6(b)に示す。アルミミラーの反射率は、90%〜99.9%となるように調整した。 As shown in FIG. 6A, the cavity polariton laser includes a layered perovskite thin film (60 nm) obtained in Example 1 as a light emitting layer, and a buffer formed of cadmium arachidate stacked on the light emitting layer. It comprised from the LB film | membrane as a layer, and the aluminum mirror as a mirror layer laminated | stacked on the said light emitting layer and the buffer layer. The relationship between the measured wavelength (nm) and the refractive index is shown in FIG. The reflectivity of the aluminum mirror was adjusted to be 90% to 99.9%.
測定した波長(nm)と反射率(%)の関係を図7(a)に示し、kとエネルギー(eV)との関係を図7(b)に示す。得られた結果から、反射角22度で明確な共鳴が見られ、このピーク分裂の値からラビ分裂は約130meVであることが判明した。これにより、室温でも安定なキャビティポラリトンが生成していることが確認された。従って、得られた層状ペロブスカイト薄膜を用いれば、室温でのキャビティポラリトンレーザ(原理的に閾値の無いレーザ)が実現可能であることが示された。 FIG. 7A shows the relationship between the measured wavelength (nm) and the reflectance (%), and FIG. 7B shows the relationship between k and energy (eV). From the obtained results, it was found that a clear resonance was observed at a reflection angle of 22 degrees, and the Rabi splitting was about 130 meV from this peak splitting value. This confirmed that stable cavity polaritons were generated even at room temperature. Therefore, it was shown that if the obtained layered perovskite thin film is used, a cavity polariton laser (a laser having no threshold in principle) at room temperature can be realized.
Claims (3)
無機溶液に溶解しない非水系溶媒に、長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンを溶解させて均一に混合した有機溶液を得る混合工程と、
1種類のハロゲン元素から成る無機ハライドを含む無機ハライド溶液に、前記有機溶液を滴下し、当該無機ハライド溶液の液面上に不均一有機膜を形成する滴下工程と、
長鎖アルキルアミン及び短鎖アルキルアミンのアルキル鎖の炭素数の増減に伴って相補的に減増される押圧速度によって、前記不均一有機膜を含む無機ハライド溶液を、当該溶液面に沿って横方向に押圧し、当該無機ハライド溶液の液面上に単分子膜を形成する押圧工程と、
前記押圧工程により液面上に形成された単分子膜を、ラングミュアーブロジェット法を用いて基板上に移し取る単分子膜移取工程と
を含むことを特徴とする
層状ペロブスカイト薄膜の製造方法。 A method for producing a layered perovskite thin film having a layered perovskite structure in which organic layers and inorganic layers are alternately laminated,
A mixing step in which a long-chain alkylamine and a short-chain alkylamine are dissolved in a non-aqueous solvent that does not dissolve in the inorganic solution to obtain a uniformly mixed organic solution;
A dropping step of dropping the organic solution into an inorganic halide solution containing an inorganic halide composed of one kind of halogen element, and forming a heterogeneous organic film on the liquid surface of the inorganic halide solution;
The inorganic halide solution containing the heterogeneous organic film is laterally moved along the solution surface by a pressing speed that is complementarily increased as the carbon number of the alkyl chain of the long-chain alkylamine and the short-chain alkylamine is increased or decreased. Pressing in the direction, forming a monomolecular film on the liquid surface of the inorganic halide solution, and
A method for producing a layered perovskite thin film, comprising: a monomolecular film transfer step of transferring a monomolecular film formed on the liquid surface by the pressing step onto a substrate using a Langmuir Blodget method.
前記長鎖アルキルアミンが、炭素数16〜28のアルキル鎖を有し、
前記短鎖アルキルアミンが、前記長鎖アルキルアミンに含まれるアルキル鎖の炭素数よりも2以上少ない炭素数のアルキル鎖を有することを特徴とする
層状ペロブスカイト薄膜の製造方法。 In the manufacturing method of the layered perovskite thin film according to claim 1,
The long-chain alkylamine has an alkyl chain having 16 to 28 carbon atoms;
The method for producing a layered perovskite thin film, wherein the short-chain alkylamine has an alkyl chain having 2 or more carbon atoms less than the carbon number of the alkyl chain contained in the long-chain alkylamine.
前記押圧工程の押圧速度が、1.0×10-20m2/(分子・秒)〜4.5×10-20m2/(分子・秒)であることを特徴とする
層状ペロブスカイト薄膜の製造方法。 In the manufacturing method of the layered perovskite thin film according to claim 1 or 2,
A pressing speed of the pressing step is 1.0 × 10 −20 m 2 / (molecule · second) to 4.5 × 10 −20 m 2 / (molecule · second). Production method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015169451A JP6607381B2 (en) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | Method for producing layered perovskite thin film and cavity polariton laser using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015169451A JP6607381B2 (en) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | Method for producing layered perovskite thin film and cavity polariton laser using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017042748A JP2017042748A (en) | 2017-03-02 |
| JP6607381B2 true JP6607381B2 (en) | 2019-11-20 |
Family
ID=58209094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015169451A Active JP6607381B2 (en) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | Method for producing layered perovskite thin film and cavity polariton laser using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6607381B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7136440B2 (en) * | 2018-07-23 | 2022-09-13 | 学校法人 中央大学 | laser device and generator |
| CN110994345A (en) * | 2019-12-17 | 2020-04-10 | 华中科技大学 | Tunable laser based on self-trapping exciton |
| CN113564519A (en) * | 2021-07-22 | 2021-10-29 | 南京大学 | A method for transferring a flat self-supporting film by external pressure and a self-supporting film |
| CN117712823B (en) * | 2023-12-18 | 2024-11-12 | 浙江大学 | Continuous wave perovskite polariton laser and laser chip and manufacturing method |
| CN119730570B (en) * | 2024-12-19 | 2025-11-18 | 电子科技大学 | Quasi-two-dimensional blue perovskite light-emitting diode and its fabrication method |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11233095A (en) * | 1998-02-19 | 1999-08-27 | Mitsubishi Chemical Corp | Battery separator |
| JP4412812B2 (en) * | 2000-05-15 | 2010-02-10 | 独立行政法人科学技術振興機構 | Preparation method of organic ammonium / inorganic layered perovskite compound thin film |
| JP3529733B2 (en) * | 2000-12-15 | 2004-05-24 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | Organic-inorganic layered perovskite-type polymer compound |
| JP2009006548A (en) * | 2007-06-27 | 2009-01-15 | Saga Univ | Organic inorganic layered perovskite compound thin film and method for producing the same |
-
2015
- 2015-08-28 JP JP2015169451A patent/JP6607381B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017042748A (en) | 2017-03-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dong et al. | Materials chemistry and engineering in metal halide perovskite lasers | |
| JP6607381B2 (en) | Method for producing layered perovskite thin film and cavity polariton laser using the same | |
| Liu et al. | Subwavelength-polarized quasi-two-dimensional perovskite single-mode nanolaser | |
| Zhang et al. | Halide perovskite semiconductor lasers: materials, cavity design, and low threshold | |
| Su et al. | Perovskite semiconductors for room-temperature exciton-polaritonics | |
| Wang et al. | High-quality in-plane aligned CsPbX3 perovskite nanowire lasers with composition-dependent strong exciton–photon coupling | |
| Shi et al. | Ten years of perovskite lasers | |
| Erdem et al. | Thickness-tunable self-assembled colloidal nanoplatelet films enable ultrathin optical gain media | |
| Wang et al. | Recent advances in perovskite micro‐and nanolasers | |
| Li et al. | Using polar alcohols for the direct synthesis of cesium lead halide perovskite nanorods with anisotropic emission | |
| Wang et al. | Ultralow-threshold and color-tunable continuous-wave lasing at room-temperature from in situ fabricated perovskite quantum dots | |
| Minh et al. | Room-temperature synthesis of widely tunable formamidinium lead halide perovskite nanocrystals | |
| Park et al. | Surface ligand engineering for efficient perovskite nanocrystal-based light-emitting diodes | |
| Li et al. | Room-temperature continuous-wave operation of organometal halide perovskite lasers | |
| Shinde et al. | Low-temperature photoluminescence studies of CsPbBr3 quantum dots | |
| Tonkaev et al. | Multifunctional and transformative metaphotonics with emerging materials | |
| Liu et al. | Emerging light‐emitting materials for photonic integration | |
| Lanty et al. | Room-temperature optical tunability and inhomogeneous broadening in 2D-layered organic–inorganic perovskite pseudobinary alloys | |
| Navarro-Arenas et al. | Single-exciton amplified spontaneous emission in thin films of CsPbX3 (X= Br, I) perovskite nanocrystals | |
| US7402832B2 (en) | Quantum dots of group IV semiconductor materials | |
| Zhan et al. | Thermally evaporated MAPbBr3 perovskite random laser with improved speckle-free laser imaging | |
| Bouteyre et al. | Room-temperature cavity polaritons with 3D hybrid perovskite: toward large-surface polaritonic devices | |
| US20040036130A1 (en) | Methods of forming quantum dots of group iv semiconductor materials | |
| Shi et al. | Blue-emitting CsPbBr3 nanocrystals: synthesis progress and bright photoluminescence | |
| Xu et al. | Multicolor random lasers based on perovskite quantum dots embedded in intrinsic Pb–MOFs |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180810 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190507 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190426 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190708 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20191001 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20191009 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6607381 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |