サブ5nmナノギャップで狭線幅電界発光を実現～2次元材料オンチップ量子光源への電気駆動基盤～

2026-10-05 東京科学大学

東京科学大学とカリフォルニア大学バークレー校などの国際共同研究チームは、単層二セレン化タングステン（WSe₂）とサブ5 nmのAu/Ptナノギャップ電極を組み合わせ、狭線幅の電界発光を電気的に発生させることに成功した。3.5 Kで10 MHzの矩形波電圧を印加したところ、1.652 eVを中心に見かけ線幅1.83 meVの鋭い発光ピークを観測。光励起では多数の局在発光状態による複雑なスペクトルが生じるのに対し、ナノギャップによる幾何学的閉じ込め、局所電界増強、電極による局所環境変調、高速な電圧遷移によって、特定の局在状態を選択的に電気駆動できることを示した。49素子の統計評価や対照実験でもサブ5 nm構造の重要性を確認した。複雑な2次元材料の積層構造を必要としないため、将来のオンチップ量子光源・量子フォトニクスへの応用が期待される。ただし、現時点では単一光子発光は未実証である。

図1. サブ5 nm Au/Ptナノギャップを用いた単層WSe₂発光素子と狭線幅電界発光

＜関連情報＞

5 nm未満のAu/Ptナノギャップによって実現される単層WSe₂ における狭線幅エレクトロルミネッセンス Narrow-Line-Width Electroluminescence in Monolayer WSe2 Enabled by a Sub-5 nm Au/Pt Nanogap

Shurong Miao;I. K. M. Reaz Rahman;Aditya Nirmale;Inha Kim;Dorottya Urmossy;Thomas P. Darlington;Harishankar Jayakumar;Seiichiro Izawa;Archana Raja;Daryl C. Chrzan;Yutaka Majima;Ali Javey
Nano Letters Published:October 03, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03133

Abstract

Spectrally isolated, electrically driven emission from localized states in two-dimensional semiconductors remains challenging in scalable planar devices. Here, we report narrow-line-width alternating-current electroluminescence (ACEL) from localized states in monolayer WSe₂ using a lithographically defined sub-5 nm Au/Pt nanogap on SiO₂/Si at 3.5 K. The curved nanogap geometry produces a nonuniform strain landscape and regions of enhanced electric field that may influence the local electronic environment. Under square-wave gate excitation, the device exhibits a spectrally isolated ACEL line at 1.652 eV with an apparent fitted line width of approximately 2 meV, in contrast to broad, multipeak photoluminescence from the same device. Spectral decomposition identifies dominant ZPL-like and weaker red-shifted sideband-like contributions. This nanogap architecture provides a scalable planar platform for narrow-line-width, electrically driven localized emission in two-dimensional materials.