暗い励起子から明るい励起子への変換機構を解明~カーボンナノチューブの発光効率向上への新指針~

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2019-12-06 理化学研究所

理化学研究所(理研)開拓研究本部加藤ナノ量子フォトニクス研究室の石井晃博特別研究員(理研光量子工学研究センター量子オプトエレクトロニクス研究チーム特別研究員)、加藤雄一郎主任研究員(同チームリーダー)らの研究チームは、カーボンナノチューブ[1]の発光における「暗い励起子[2]」から「明るい励起子」への変換メカニズムを明らかにしました。

本研究成果は、カーボンナノチューブの発光効率[3]向上やカーボンナノチューブ単一光子源[4]の性能向上につながると期待できます。特に、カーボンナノチューブ単一光子源は、室温で動作する通信波長帯の光子源であるため、小型化や長距離伝送に向いており、量子通信への応用が注目されています。

カーボンナノチューブにレーザーパルスを当ててエネルギーを与えると発光しますが、そのとき明るい励起子と暗い励起子が生成されます。明るい励起子は明るく発光してすぐに消滅しますが、暗い励起子はその後もしばらく残り、その一部が明るい励起子に変換されることがあります。暗い励起子は発光にほとんど寄与しないことから、数パーセント程度というカーボンナノチューブの低い発光効率の一因だと考えられてきました。しかし、暗い励起子は光を出さないために直接観測することができず、詳しい性質は分かっていませんでした。

今回、研究チームは、原子の並び方(幾何構造)を決定したカーボンナノチューブを用いて、時間分解測定により暗い励起子の挙動を系統的に調べました。その結果、暗い励起子から明るい励起子への変換効率を定量的に求めることに成功し、変換効率は長いナノチューブほど高くなることが分かりました。さらに、明るい励起子へ変換される速度は幾何構造に依存すること、暗い励起子の50%以上を明るい励起子に変換できることを実験的に示しました。

本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review X』のオンライン版(12月5日付け:日本時間12月6日)に掲載されます。

カーボンナノチューブの中で起こる暗い励起子(右)から明るい励起子(左)への変換の図

図 カーボンナノチューブの中で起こる暗い励起子(右)から明るい励起子(左)への変換

背景

単層カーボンナノチューブ(以下、カーボンナノチューブ)は、炭素原子が六角形の格子状に並んだ原子一層の膜(グラフェン)を直径1~3ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)程度の筒状に丸めた構造を持つ物質です(図1a)。その炭素原子の並び方(幾何構造)は、チューブの直径とカイラル角と呼ばれる角度で特徴づけられ、(n,m)という二つの整数の組み合わせで特定することができます(図1b)。

単層カーボンナノチューブの模式図の画像

図1 単層カーボンナノチューブの模式図

(a)単層カーボンナノチューブは、炭素原子が六角形の格子状に並んだ原子一層(グラフェン)の膜を筒状に丸めた構造をしている。その直径は1~3nm程度である。

(b)(a)のカーボンナノチューブの円周一巻きに相当するベクトル(赤い矢印)をグラフェン上に描くと、グラフェンの基本格子ベクトルa1,a2の重ね合わせで表現することができ、このときに現れる二つの係数n,mを用いてカーボンナノチューブの幾何構造を定義する。図中のθをカイラル角と呼ぶ。

カーボンナノチューブは、光通信に使われている近赤外光領域(波長1200~1600nm)で発光すること、またレーザーパルスを照射すると室温で単一光子を発生することから、ナノフォトニクス[5]や量子情報処理技術[6]への応用を念頭に置いた研究が進められています。さらに、発光特性からカーボンナノチューブの幾何構造を厳密に同定できることを利用して、ナノテクノロジーを超えた原子レベルの技術の開拓に役立つと期待されています。しかし、カーボンナノチューブの発光効率は数%程度しかなく、応用の観点からはその原因解明と効率向上が求められています。

一方、カーボンナノチューブが発光する際には、「励起子」が生成されます。励起子とはマイナスの電荷を持つ電子とプラスの電荷を持つ正孔が結びついた粒子で、消滅するときに光を放出するため、いわば”光のもととなる粒子”だといえます。カーボンナノチューブでは、光を出す「明るい励起子」と光を出さずに消滅する「暗い励起子」が存在することが知られています。この暗い励起子は発光にほとんど寄与しないことから、それが低い発光効率の一因であるとこれまでの研究から考えられてきました。しかし、暗い励起子は光を出さないために直接観測することができず、詳しい性質は分かっていませんでした。

研究手法と成果

研究チームは、暗い励起子と明るい励起子の寿命が大きく異なることに注目しました。カーボンナノチューブにレーザーパルスを照射してエネルギーを与えると、励起子が生成されます。このとき、明るい励起子は60~80ピコ秒(1ピコ秒は1兆分の1秒)ほどで明るく発光して消滅しますが、暗い励起子はその後もしばらく残ります。そして、暗い励起子の一部は明るい励起子に変換されるため、明るい発光の後に微弱な発光がしばらく続くことになります。したがって、明るい励起子が全て消滅した後、暗い励起子に由来する発光の様子を調べれば、暗い励起子の寿命や明るい励起子への変換効率を明らかにすることができます。

ただし、カーボンナノチューブは幾何構造によって物性が大きく異なることから、測定にはまずその幾何構造をはっきりと決定することが重要です。そこで、研究チームが独自開発した全自動顕微分光装置[7]を用いて、基板上に合成したカーボンナノチューブの位置・幾何構造・長さを1,000本単位でデータベース化し、所望のカーボンナノチューブを測定対象としました(カイラリティ・オン・デマンド測定)(図2)。

単一のカーボンナノチューブに対する光学測定の図

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