「プラズモン効果でグラフェンの光電変換能力が20倍向上」 ケンブリッジ大らが報告

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ケンブリッジ大学とマンチェスター大学の報告によると、グラフェンと金属ナノ粒子を結合させたところ、光電変換能力が20倍超の増加を示したとのこと。太陽電池や高速通信デバイスへの応用が期待されています。

グラフェン・シートの図。単層の炭素原子がハチの巣状の結晶となっている (image courtesy of the Universities of Cambridge)

先行研究では、グラフェンが太陽電池として使えることが示されていました。2本の金属ワイヤをグラフェン上に極めて狭い間隔で置くことで、光が当った時に電圧が生じるようになるというものです。

しかし、これまでのところ、グラフェンを太陽電池として実用化するには、変換効率が低すぎるということが障壁となっていました。この世で最も薄い材料であるグラフェンは、炭素原子1個分の厚さしかないため、わずかな光しか吸収できず(全体の3%程度)、残りのほとんどの光が発電に寄与せずに透過してしまうのです。

研究チームは今回、グラフェン上に極微な金属構造を配することによって、この問題を解決しました。プラズモニック・ナノ構造と呼ばれるこの構造が、グラフェン上に生じる光電場を増強し、炭素原子1個の層の内部に光を効果的に集中させたのだといいます。

プラズモンによる増強効果を用いることで、グラフェンの光電変換能力は20倍超も向上。また、これに伴って、高速電子移動度というグラフェンのもう一つの特性が犠牲になることはないとのこと。

ケンブリッジ大の研究リーダーで工学者の Andrea Ferrari氏は、次のように話しています。

「これまで、グラフェンの研究は、基礎物理と電子デバイスに関するものに集中していました。今回の研究成果は、光学とオプトエレクトロニクスの分野におけるグラフェンの大きな可能性を示すものです。グラフェン固有の光学特性・電子的特性とプラズモニック・ナノ構造とが結びつくことによって、バンドギャップがゼロの状態であっても、太陽電池や光検出器などのデバイスへ十分利用可能になるのです」

グラフェンに関するノーベル賞受賞者でもあるマンチェスター大の研究メンバー Kostya Novoselov氏は、こう付け加えます。

「グラフェンの製造技術は日に日に成熟しています。そのことが、この材料の物理現象の研究、そして応用分野の拡大と実現可能性という両面へ直接的な影響を与えているのです。先端エレクトロニクス企業の多くが、次世代デバイスとしてグラフェンについて検討しています。今回の研究によって、グラフェンの可能性が一層広がることは間違いありません」


発表資料

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「「プラズモン効果でグラフェンの光電変換能力が20倍向上」 ケンブリッジ大らが報告」への1件のフィードバック

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