2D「アンテナ」がカーボンナノチューブからの発光を促進

2024 年 3 月 22 日

(Nanowerkニュース) 原子の平らなシートは、光を吸収し、そのエネルギーを集中させる一種のアンテナとして機能します。カーボンナノチューブ明るく光ります (「光学プロセスにおける次元制限を克服するための混合次元ヘテロ構造における共鳴励起子移動」）。この進歩は、量子効果を利用する将来の小型発光デバイスの開発に役立つ可能性があります。カーボンナノチューブは、直径がわずか 1 ナノメートル程度の非常に細い中空のワイヤーに似ています。さまざまな方法で光を生成できます。たとえば、レーザーパルスは材料内の負に帯電した電子を励起し、正に帯電した「正孔」を残す可能性があります。これらの反対の電荷は対になって励起子として知られるエネルギー状態を形成する可能性があり、励起子はそのエネルギーを光として放出する前にナノチューブに沿って比較的遠くまで移動する可能性があります。原理的には、この現象を利用して高効率化を図ることができます。ナノスケール発光デバイス。残念ながら、レーザーを使用してカーボンナノチューブ内に励起子を生成するには、1,000 つの障害があります。まず、レーザービームの幅は通常、ナノチューブの 2 倍であるため、実際に材料に吸収されるエネルギーはごくわずかです。第二に、エネルギーを効果的に伝達するには、光波がナノチューブと完全に整列する必要があります。最後に、カーボンナノチューブ内の電子は、非常に特定の波長の光のみを吸収できます。これらの限界を克服するために、理化学研究所ナノスケール量子フォトニクス研究室の加藤雄一郎率いるチームは、XNUMXD 材料として知られる別のクラスのナノ材料に注目しました。これらの平らなシートの厚さは原子数個分ですが、レーザービームよりもはるかに広く、レーザーパルスを励起子に変換する能力がはるかに優れています。二セレン化タングステンの原子的に薄いフレークは、電子 (赤) と正孔 (青) で構成される励起子の貯蔵庫として機能します。これらの励起子は、トレンチの上に吊り下げられた細いカーボンナノチューブにすぐに入ります。 (画像: 理化学研究所ナノスケール量子フォトニクス研究室) 研究者らは、絶縁材料から彫られた溝の上にカーボンナノチューブを成長させた。次に彼らは、原子的に薄い二セレン化タングステンのフレークをナノチューブの上に置きました。レーザーパルスがこのフレークに当たると、励起子が生成され、レーザーよりも長い波長の光が放出される前に、ナノチューブ内にその長さに沿って移動します。各励起子が原子核から通過するのに要した時間はわずか 1 兆分の 1 秒です。二次元素材ナノチューブの中へ。研究者らは、材料内の重要なエネルギーレベルに影響を与えるさまざまな構造を持つナノチューブをテストすることで、2D材料からの励起子の移動を促進する理想的なナノチューブの形状を特定した。この結果に基づいて、彼らはバンドエンジニアリング（優れた特性を持つデバイスを実現するための半導体工学の有用な概念）を原子レベルで薄いスケールで使用する予定です。「バンドエンジニアリングを低次元半導体に適用すると、新たな物性や革新的な機能が生まれることが期待されます」と加藤氏は言う。「このコンセプトを活かして開発していきたいと考えています」フォトニック & 光電子ほんの数原子層の厚さのデバイスです」と加藤氏は付け加えた。「原子の薄さの限界までそれらを縮小できれば、新しい量子効果が出現すると期待され、それは将来の応用に役立つ可能性があります。」量子テクノロジーに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」