光デバイスにおいて、発光量子効率はデバイスのエネルギー効率を左右する重要な値の一つです。 化合物半導体と同様に直接遷移半導体であるカーボンナノチューブは、シリコンチップ上に集積可能な微小光源として期待されていますが、その量子効率は表面状態等によって大きく損なわれるため、これまでナノチューブ本来の物性を調べることは困難でした。本研究では、欠陥密度が低く表面状態が清浄であることから明るく発光することが知られている架橋カーボンナノチューブと、フォトニック結晶微小共振器を組み合わせることにより、カーボンナノチューブの明るい励起子における発光量子効率を定量的に評価しました。発光量子効率の評価の鍵となるのは、微小共振器中で生じるPurcell効果と呼ばれる効果です。発光量子効率は励起子の発光緩和寿命と非発光緩和寿命の比によって与えられますが、Purcell効果はこのうち発光緩和寿命だけを選択的に短縮します。このとき、共振器によって増強する前と後でどの程度励起子の緩和寿命が変化したかを観測することで発光量子効率を推定することができるのです。

本研究で用いた微小共振器は、清浄な単一カーボンナノチューブに高効率で光結合することが可能な空気モードナノビーム共振器と呼ばれる構造です。カーボンナノチューブはSi基板に直接触れることでも発光効率が低下するため、両側の高台(スペーサー)からカーボンナノチューブを化学気相成長法により成長し、直接共振器に接触することを防ぐ構造としました。

励起子の緩和時間の変化を評価するため、蛍光の時間応答を計測しました。共振器を使用しない場合はカーボンナノチューブ中の励起子は60ピコ秒程度で発光（赤線）しますが、共振器と結合することで時間が約半分まで短縮した(青線)ことが確認できました。

この発光時間の変化率と蛍光スペクトルから解析したPurcell係数を共振器量子電磁力学のモデルにより定量的に解析したところ、このカーボンナノチューブにおける明るい励起子の発光量子効率は98%に達することが判明しました。 このような高効率発光は測定した15個のデバイスの内5個で再現し、架橋カーボンナノチューブにおける発光量子効率の上限はほぼ100%であることが示唆されます。 カーボンナノチューブを用いた発光素子の実際の効率は励起子の生成効率と光への変換効率両方によって決まりますが、今回、励起子から光への変換効率がほぼ100%であることが分かったことにより、実際のデバイスの高効率化には明るい励起子の生成効率をいかに高めるかが重要であると分かりました。

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。
H. Machiya, D. Yamashita, A. Ishii, Y. K. Kato Evidence for near-unity radiative quantum efficiency of bright excitons in carbon nanotubes from the Purcell effect Phys. Rev. Research 4, L022011 (2022).