光触媒材料中の見えない光生成キャリヤを可視化する方法を開発 ～AIによる顕微画像からの情報抽出～

中央大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

光触媒材料中の見えない光生成キャリヤを可視化する方法を開発
～AIによる顕微画像からの情報抽出～

・光触媒として用いられる無機半導体粒子で構成される薄膜材料の通常「見えない」光生成キャリヤを「見える」化した。
・ナノ秒時間分解の位相差顕微鏡と画像回復やデータ同化手法により光生成キャリヤの可視化及び物性値マッピングを可能にした。
・太陽光水分解、光触媒、太陽電池材料の高効率化につながる。

　ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、中央大学の片山建二は、ナノ秒の時間分解能をもつ位相差顕微鏡^注１）を開発し、統計的データ解析手法である画像回復の方法と組み合わせることで、光触媒^注２）などに頻繁に用いられる無機系半導体微粒子で構成する薄膜材料中の光生成キャリヤ（電子やホール）を可視化することに成功しました。
　光触媒・太陽電池などの太陽光デバイスでは、界面での反応を用いるため、表面積の大きいナノ・マイクロサイズの多孔質の半導体基板材料が用いられます。これらのデバイスでは、光生成キャリヤを有効に利用する必要がありますが、反応が速く、また、検出しやすい発光などを伴わないために検出が難しい問題がありました。
　本研究グループは、ナノ秒の時間分解能をもつ位相差顕微鏡を開発して、酸化チタンなどの光触媒粒子薄膜材料に適用して、光生成キャリヤによる屈折率変化を画像化しました。その際に、微小な屈折率変化を画像化するために、特定の空間パターンでキャリヤを生成して、情報解析技術を用いて画像回復することで、可視化に成功しました。さらに、データ同化^注３）の情報解析技術を用いて、構造中の物性値を推定し、マッピングすることにも成功しました。
　今後、同様の半導体粒子材料が用いられている、光触媒・太陽光水分解・太陽電池材料に適用されることで、デバイス材料の高効率化につながるものと期待されます。
　本研究成果は、２０２０年８月７日米国物理学協会発行の科学誌「Journal of Chemical Physics」のオンライン版で公開されます。

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