理化学研究所

加藤ナノ量子フォトニクス研究室

研究内容:カーボンナノチューブにおける励起子拡散

単層カーボンナノチューブでは、その一次元性のためにクーロン相互作用が強いことが知られています。このため、電子と正孔は強く束縛した励起子を形成し、光物性はこの励起子の振る舞いによって決まってきます。特に、発光効率に寄与しているものとして励起子‐励起子消滅過程があります。これは、二つの励起子がぶつかった際に一つが消滅するという現象です。励起子同士の散乱の頻度は、励起子が拡散によって動き回る範囲によって決まってきます。

exciton-exciton annihilation
励起子‐励起子消滅過程
exciton diffusion
励起子拡散

この研究では、さまざまな架橋幅のカーボンナノチューブのフォトルミネッセンス を測ることにより、励起子の拡散長を測定しています。基板上では励起子は非放射緩和を起こすため、幅の狭い溝を架橋しているカーボンナノチューブでは、励起子は基板と接している部分に拡散して光を出さずに再結合し、発光効率が低くなります。このような現象を利用して、フォトルミネッセンスの強度を架橋幅の関数として測定することにより、励起子の拡散長を求めることができるはずです。

架橋したカーボンナノチューブを得るため、まずSi基板にさまざまな幅の溝を加工します。次に触媒を溝の近傍に配置し、化学気相成長法 によってカーボンナノチューブを合成します。典型的なサンブルの電子顕微鏡像を示します。このような成長直後の架橋カーボンナノチューブはとても清浄な状態にあり、優れた光学特性や電気特性を示します。

カーボンナノチューブの架橋構造
カーボンナノチューブの架橋構造
フォトルミネッセンスの架橋幅依存性
フォトルミネッセンスの架橋幅依存性

フォトルミネッセンス像によりカーボンナノチューブを見つけ、励起分光 によりカイラリティ を同定します。このようにして単一のカーボンナノチューブで発光強度の強いものを選んで測定します。さらに偏光を調査し、溝に対する角度を計測して、架橋幅を精密に求めます。これらの測定を繰り返して求めた、架橋幅に対するフォトルミネッセンス強度の変化を図に示します。拡散方程式を解くことによりシミュレーションし、最小二乗法によりフィッティングした架橋幅依存性が赤い線です。これにより求まった励起子拡散長は 610 nm となり、ミセル化したカーボンナノチューブでの結果よりかなり長いものとなっています。つまり、励起子‐励起子消滅過程は架橋したカーボンナノチューブでは高効率であり、余分な励起子を除去しなければならない単一光子源により適していると考えられます。

本研究の詳細については、こちらの論文を参照してください。
Exciton diffusion in air-suspended single-walled carbon nanotubes S. Moritsubo, T. Murai, T. Shimada, Y. Murakami, S. Chiashi, S. Maruyama, Y. K. Kato Phys. Rev. Lett. 104, 247402 (2010). Link to publisher pdf