成果報告書詳細
管理番号20130000000356
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 フォノン援用励起過程を用いた赤外光-可視光変換膜作製のための基盤技術の研究開発
公開日2013/6/15
報告書年度2010 - 2012
委託先名浜松ホトニクス株式会社 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約フォノン援用励起過程を用いた赤外光-可視光変換膜を作製するための基盤技術を確立し、実用化への可能性を実証する目的で本研究開発を行った。
波長変換膜の作製方法として、色素溶液を成膜装置にて霧状にして基板上に吹き付けることで、色素微結晶を堆積させた赤外光-可視光変換膜を作製する静電噴霧法を最初に検討した。変換光強度と微結晶のサイズの相関を調査した結果、変換効率向上のための微結晶サイズは1μm以下が好ましいことが分かった。ただし、静電噴霧法では微結晶の作成に時間がかかり実用的では無いため、次に色素微結晶作成方法として液相中でのレーザアブレーション法により樹脂内で均一な色素微結晶を作成する方法(光破砕法)を検討した。樹脂内部に閉じ込められた微結晶サイズを評価する手法を開発し、実際に微結晶サイズが100-500nm程度と1μm以下であることを確認でき、赤外光-可視光変換膜の作製時間も現実的な時間内であったため、この方法を採択した。
また波長変換膜の性能評価のための評価実験系を構築し、試作品の性能評価(波長変換量、変換効率等)を行った。結果として目標値を上回る、波長1300nm を波長650nm に波長変換し、変換効率1.1x10^(-5)%、膜面積10x10mm2の特性を持つ赤外光-可視光変換膜が作製できたことを確認した。このときの赤外光-可視光変換膜の条件は、色素濃度0.43%、膜厚0.4mm、若しくは色素濃度0.11%、膜厚1.6mmである。
時間分解能10fs以下の精度でポンププローブ計測法を開発しコヒーレントフォノンを計測した。計測されたフォノンはフォノン援用励起過程に直接関与するフォノンとなる。観測されたフォノンは4種の異なるフォノンを検出し、そのうち水素結合に起因するフォノンモードが周波数上方変換に寄与することを明らかにした。またそれらの寿命計測を行い、高効率に変換が起こる試料で24fsの緩和時間を持つことが分かった。またフォノンの生成効率は1×10-8であった。この試料の周波数上方変換効率は1×10-6%であったので、生成されるフォノンのほぼ100%が周波数上方変換に利用されることが分かった。このフォノン生成には欠陥のない数nm程度のDCM微結晶がもっとも適していることが実験的に示された。
赤外光-可視光変換膜の変換波長帯域拡大を行い1500nm以上の光をSi光検出器の感度の高い750nm以下の波長に変換できることを確認した。自律的形状最適化法による色素微結晶赤外光-可視光変換膜の作製を行い、光照射の効果を確認した。加えてシリコン樹脂の最適化を行い波長550nm-560nmへの変換効率が8×10^(-6)%に達する周波数上方変換素子の作製に成功した。これは目標値を80倍も上回る高い効率に相当する。
英文要約Title:Research and development of the basic technology for infrared-visible light wavelength conversion-film manufacture using the phonon-assisted excitation process (FY2010-FY2012) Final Report

Because the conventional infrared photosensor based on compound semiconductors with narrow band gap requires a cooler to reduce dark-current noises coming from thermal excitation, its cost, size and power consumption increase. Therefore, the industrial use of the infrared light is restricted to special operating environment. The goal of this development is an establishment of a basic technology for manufacturing the infrared-visible wavelength conversion film based on the phonon-assisted excitation process. This technology is epoch-making energy conversion technique, which is independent on the material properties, e.g., a band gap, dispersion of refractive index, and so on. This innovative technology also reduces the material cost, the environmental load, and the rare resource wasting in addition to reducing the power consumption by withdrawing the photosensor cooler. We are also going to expand the potential of the utilizing the infrared light, which was not used enough so far.
1. Design, manufacture and evaluation of the wavelength conversion film.
The first task of this development is clarifying the most suitable method to obtain the dye-grains constituting a convertor. We prepared a resin sheet containing the DCM dye grains which were crushed by laser irradiation as infrared-visible light wavelength conversion-film. The areas of the film were more than 100 square millimeters and the major axis length of dye grain in the film was several 100 nm. The performance of the manufactured convertor was measured. The conversion efficiency to convert wavelength 1,300 nm into 650 nm was 1.1 x 10 ^(-5) %.
2. Quantitative mechanism elucidation of the phonon-assisted excitation process by optical near field.
The second task of this development is obtaining the most important parameters to increase the conversion efficiency of the wavelength conversion film. We investigated the coherent phonon mode in the infrared-visible light wavelength conversion-film by means of time-resolved optical measurements and clarified the most important phonon mode for the infrared-visible wavelength conversion. Namely, the phonon mode originating from the hydrogen bonding is necessary for the wavelength conversion. The probability of this phonon generation in a sample device was 1 x 10 -6 % which was very close to it conversion efficiency.
3. Development of the autonomous shape optimization method of the dye-grains using phonon-assisted excitation process for wavelength conversion film.
The third task of this development is construction of the efficient fabrication method based on the features of the optical near-field. We improved the silicon resin and succeeded in making the conversion film that the conversion efficiency to wavelength 550 nm - 560 nm reached 8 x 10 ^(-6) %.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る