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:単層カーボンナノチューブのフォトルミネッセンス

半導体型のカーボンナノチューブは、半導体の中でも直接半導体という光と相性のいい部類に属します。そのため、光を照射して電子と正孔を励起すると、これが再結合する際にバンドギャップエネルギーにおいて発光します。これがフォトルミネッセンスと呼ばれる現象です。

しかし、構成原子すべてが表面にあるという単層カーボンナノチューブ独特の構造のため、発光現象は表面の状態に非常に敏感に反応し、基板などと接触していると光らなくなってしまいます。そこで、発光を観測するための方法として、架橋構造を使うというものがあります。基板にあらかじめ溝を加工しておき、カーボンナノチューブを橋渡しすると、宙に浮いた部分は良く光るのです。

カーボンナノチューブ架橋構造の走査型電子顕微鏡像
カーボンナノチューブ架橋構造の走査型電子顕微鏡像
フォトルミネッセンス測定系
実際のフォトルミネッセンス測定系。一本のカーボンナノチューブから出てくる光も検出できる高感度なシステムです。

当研究室の実際の測定装置の概要を説明します。励起光源は波長可変なチタンサファイアレーザーを用い、これを対物レンズでサンプル上に集光します。レーザーの位置は走査ミラーで制御できるようになっています。フォトルミネッセンスは同じ対物レンズで集められ、二色性フィルターによりレーザーの反射光を取り除いて分光器に入射します。検出にはInGaAs光ダイオードを使います。

フォトルミネッセンス励起分光
単一のカーボンナノチューブのフォトルミネッセンス励起分光。ピークの位置からカイラリティが求まります。
Photoluminescence excitation spectroscopy
カーボンナノチューブ溶液のフォトルミネッセンス励起分光

単層カーボンナノチューブは室温でもよく発光し、そのスペクトルは鋭いピークで容易に判別できます。このピークの位置はカーボンナノチューブのバンドギャップエネルギーに相当します。さらに、フォトルミネッセンス励起分光を行うことにより、カーボンナノチューブのカイラリティ を同定することができます。この測定では、励起光波長の関数としてフォトルミネッセンスのスペクトルを収集します。励起光のエネルギーがカーボンナノチューブの状態密度のピークと共鳴すると、フォトルミネッセンスが強くなります。この共鳴エネルギーと発光エネルギーの組み合わせから、カイラリティが求まります。