擬二次元ペロブスカイト薄膜からの室温連続レーザー発振

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さまざまな用途に利用されています。レーザーは、利得媒体、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。中でも、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、擬二次元ペロブスカイト構造において、低い三重項エネルギー状態を有する有機配位子を構造内に組み込み、長寿命の三重項励起状態をハロゲン化鉛の無機層から有機層へエネルギー移動させることで、パルスおよびＣＷ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ＰＥＡおよびＮＭＡを含有するペロブスカイトの構造（Ｐ２Ｆ８、Ｎ２Ｆ８）と三重項エネルギー移動の様子を示しています。Ｐ２Ｆ８ではＰＥＡの三重項エネルギーが高いために、無機層からＰＥＡへのエネルギー移動は困難ですが、Ｎ２Ｆ８では容易に三重項エネルギーがＮＭＡに移動し、三重項励起子を効果的に無機層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過程のメカニズム解明に基づき、レーザーに必要なＤＦＢ構造を適用することで、ＣＷ励起下において安定した緑色の擬二次元ペロブスカイトレーザーの開発に成功しました。ＣＷレーザーの発振強度は、相対湿度５５パーセントの空気中において、１時間後でも顕著な発振特性の劣化は観測されず、高い安定性が明らかになりました。本研究は、近い将来、電気的励起によるペロブスカイトレーザーへの展開を進めていきます。

本研究成果は、２０２０年９月３日（日本時間）に「Ｎａｔｕｒｅ」でオンライン公開されます。