京大ら、CNTを従来比20倍以上の高効率で発光させることに成功

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京都大学エネルギー理工学研究所特任准教授 宮内雄平氏、同教授 松田一成氏と東京大学の研究チームが、カーボンナノチューブ(CNT)を従来よりも桁違いに効率良く光らせる新たなメカニズムを発見した。2013年7月7日付けの Nature Photonics に論文 が掲載されている。

上:量子ドット状態(赤いスポット)を導入したカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブ固有部分の上を移動する励起子(青いスポット)の模式図。下:量子ドット(赤いスポット)に励起子が捉えられて明るく発光する様子の模式図 (出所:京都大学)

CNTは、光をあてたり電流を流してエネルギーを与えると近赤外発光することが知られており、将来のナノサイズの光ファイバー通信用省エネルギー光源や高感度な光検出器などへの応用が期待されている。しかし、通常、CNTの発光効率は約1%程度と低く、実用化のためには大幅にその効率を上げることが求められていた。

研究グループは今回、長さ数百nmのCNT量子細線上に約1個という非常に希薄な割合で、特異点(量子ドット)を作ることに成功した。量子ドットは、CNTの壁にオゾン(O3)分子を作用させる方法を用いて、酸素原子を人工的に埋め込むことで作製した。この量子ドットは、励起状態の電子(励起子)を局所的に閉じ込める役割を担っており、CNT端部や欠陥部位などの不完全な点に励起子が衝突して発光せずに消滅するのを防ぐ「避難所」として機能するという。

(a)カーボンナノチューブ固有の近赤外発光スペクトル(黒線)と、量子ドット導入後の発光スペクトル(赤線)の比較。量子ドットの導入により、固有の発光ピークが減少するとともに、左側に大きな発光ピークが現れている。(b)量子ドットの数を増やしていったときの、発光スペクトルの変化。量子ドットの数が多い(右側)ほど、固有の発光ピーク強度が大きく減少し、量子ドットからの発光ピーク強度が大きくなっている (出所:京都大学)

 
発光効率を調べた結果、常温において量子ドット部分は、CNT固有の細線部分(効率1%程度)と比べ、約20倍以上と桁違いに高い18%程度の効率で発光していることを見出した。CNT量子細線上への量子ドット導入により、CNT固有の性質を超える非常に高い発光効率を達成できることを示しており、従来の低い効率の壁を打ち破るブレイクスルーになると期待される。

将来的に、光ファイバー通信用などの高効率な光源をCNTで作ることができれば、これまで必須だったレアメタルやレアアースなどの希少元素を一切使わずに済むと考えられる。また、極限的に細いCNT量子細線上に埋め込まれた明るい量子ドット特有の性質を利用することで、これまで液体ヘリウム温度(-269度)のような極低温でしか実現できなかった電子の波としての性質を利用した新しい量子光機能や素子を常温で実現できるようになる可能性もある。

今回作製された量子ドット状態を有するCNTは、極少数の量子ドット(0次元電子系)がシームレスに量子細線(1次元電子系)に埋め込まれた従来にない理想的なナノサイズのハイブリッド構造といえる。こうした新しい材料の性質は、異なる次元性を持つ電子状態の間の相互作用が生み出す未知の物理現象を探っていくのに役立つとしている。


発表資料

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