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物性・原理

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~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研)は2019年12月6日,同所 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,加藤雄一郎主任研究員らの研究チームが,カーボンナノチューブの発光における「暗い励起子」から「明るい励起子」への変換メカニズムを明らかにしたと発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究等の助成を受けて行われ,研究成果は米国物理学会の論文誌Physical Review Xのオンライン版に掲載された(注).

 単層カーボンナノチューブ(CNT)は,炭素原子が六角形の格子状に並んだ原子一層の膜を直径1~3nm程度の筒状に丸めた構造を持つ.CNTは,近赤外光(波長1200~1600nm)で発光すること,室温で単一光子を発生することから,量子情報処理技術への応用が注目されている.CNTにレーザーパルスを照射すると発光するが,そのとき明るい励起子と暗い励起子が生成される.明るい励起子は発光してすぐに消滅するが,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る.暗い励起子は発光にほとんど寄与しないことから,数%程度という低い発光効率の一因と考えられていた.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なかった.

 本研究チームは,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た.CNTにレーザーパルスを照射すると,励起子(電子・正孔ペア)が生成される.明るい励起子は60~80ps(1ps=10-12s)ほどで発光して消滅し,暗い励起子はその後もしばらく残る.そして,暗い励起子の一部は明るい励起子に変換され,微弱な発光がしばらく続く.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る.ただし,CNTは幾何構造によって物性が大きく異なるので,独自開発した全自動顕微分光装置を用いて,基板上に合成したCNT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CNTを測定対象とした.本測定方法により,原子レベルで同一の幾何構造を持つCNTの中から様々な長さのものを選び出し,発光の時間変化を調べた.その結果,暗い励起子由来の発光時間は,長いCNTほど長くなることが分かった.

 次にデータ解析により,暗い励起子から明るい励起子への変換効率を求めた.暗い励起子は,レーザーが照射された場所から拡散して端部に到達したときに消滅するため,長いCNTでは暗い励起子の寿命も長くなる.また,拡散している途中で一定の速度で明るい励起子へと変換されるため,変換効率は長いCNTほど高くなる.さらに,暗い励起子が明るい励起子へ変換されるまでの変換時間は,CNTの長さには依存せず,幾何構造に依存することが分かった.変換速度が幾何構造に依存して大きいほど,変換効率は高い.また,CNT表面に空気分子が吸着すると,変換効率が向上することも明らかになった.今回調べたCNTのうち最も変換効率が高いものは,暗い励起子の50%以上が明るい励起子に変換されていることを確認した.

 本研究により,十分に長いCNTが得られれば,さらに高い変換効率が期待できるので,暗い励起子を全て明るい励起子に変換できる可能性が出てきた.また,暗い励起子の拡散長は,4.2μm以下の長さのCNTでは計測不能なほど長く,暗い励起子を活用したCNTによる単一光子源も期待される,としている.

(注)A. Ishii, H. Machiya, andY. K. Kato, "High efficiency dark-to-bright exciton conversion in carbon nanotubes", Physical Review X, Vol.9, p.041048 - Published 5 December 2019, doi: 10.1103/PhysRevX.9.041048