炭素原子一層からなるグラフェンは光との相互作用や非線形性が強いことから光デバイスへの応用が期待されており、光検出器・過飽和吸収体・光スイッチなどにおける実証実験の例も存在します。しかし、光源としての利用には、バンドギャップがなくキャリアの再結合による発光は起きないという物性が本質的な課題となっています。一方で、グラフェンの物性評価によく用いられるラマン散乱は、発光再結合とは異なる発光過程によるもので、特に単層グラフェンのG'バンドはグラファイトよりも強いことが知られています。ラマン散乱を微小共振器に結合することで、グラフェンからの発光をさらに強くできる可能性があります。

本研究では二次元フォトニック結晶共振器における双共鳴を利用することで、単層グラフェンのラマン散乱の増強に成功しました。フォトニック結晶の格子定数と空孔直径を調節することで、局在導波モードと共振器モードという二種類の共鳴モードを使った双共鳴をG'ラマン散乱の波長に合わせました。

励起分光測定データでは、G'バンドを共鳴させたときにラマン散乱強度が増強されていることが確認できました。また、イメージング測定により、フォトニック結晶共振器の位置でのみ増強が起きていることも確認できています。未加工の基板部分と比較すると、およそ60倍の増強度が得られることが分かりました。

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。
W. Gomulya, H. Machiya, K. Kashiwa, T. Inoue, S. Chiashi, S. Maruyama, Y. K. Kato Enhanced Raman scattering of graphene using double resonance in silicon photonic crystal nanocavities Appl. Phys. Lett. 113, 081101 (2018).