2017 Fiscal Year Annual Research Report
ゲート誘起キャリアを利用した単一カーボンナノチューブの光物性制御と光電変換
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16H05962
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
加藤 雄一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (60451788)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノチューブ・グラフェン / 光物性 / ナノ構造物性 / ナノ物性制御 / ナノマイクロ物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2017年度は主としてゲート誘起キャリアを利用した励起子生成とバンドギャップ収縮のゲート制御に取り組んだ。
ゲート誘起キャリアを利用した励起子生成では、分割ゲート式ダイオード構造に架橋カーボンナノチューブを組み込んだデバイスにおける電界発光の効率向上を目指してデバイスを試作したほか、ゲート電圧を利用したキャリアの保持および再結合を調査するために時間分解測定系を立ち上げた。シリコン・オン・インシュレーター基板のトップシリコン層を熱酸化することにより分割ゲートとした架橋カーボンナノチューブトランジスターにおいて、分割ゲートに正負の電圧を加えて p 領域と n 領域を作ることでpn 接合ダイオードを形成しているが、架橋幅・ゲート長・触媒種類および配置などの最適化を進めるための試作デバイスを設計し作製した。
バンドギャップ収縮のゲート制御については、架橋カーボンナノチューブ電界効果トランジスターを用いた光伝導度測定を進める過程で、大気分子の吸着がバンドギャップ収縮および励起子束縛エネルギーに大きく影響を与えることが分かった。励起波長や強度依存性を調査したところ、励起レーザーの強度を上げることで架橋カーボンナノチューブの温度が上がって分子が脱離し、その結果として発光および吸収特性が変化する現象が観測された。特に、高次の励起子の共鳴エネルギーが大きく変わることで、励起波長によっては光双安定性が生じるということが明らかになった。さらに、時間分解測定により分子の吸着および脱離のダイナミクスに関する知見を得た。また、ゲート誘起トリオンへの吸着分子の影響も観測されている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、単一の架橋カーボンナノチューブを組み込んだデバイスにおいて、ゲート誘起キャリアを利用した光物性制御と光電変換の手法実証に取り組み、顕微分光によりフォトルミネッセンスや光伝導度、電界発光測定を行うことにより、キャリアが引き起こす諸現象とその機構を明らかにすることを目的としている。
今年度は、分割ゲート式ダイオード構造の設計最適化が進んだほか、ゲート電圧を利用したキャリアの保持および再結合を調査するための時間分解測定系を立ち上げている。また、分子吸着がバンドギャップ収縮に大きな影響を与え、光双安定性を誘起することを明らかにしているため、おおむね順調に研究が進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続きゲート誘起キャリアを利用した励起子生成とバンドギャップ収縮のゲート制御に取り組むほか、ゲート誘起トリオンへの吸着分子の遮蔽効果について調査する。
ゲート誘起キャリアを利用した励起子生成では、引き続き分割ゲート式ダイオードにおける電界発光の効率向上に取り組むほか、新たな方式として動的な拡散電流による励起子生成の実現可能性について検討する。シリコン・オン・インシュレーター基板のトップシリコン層を熱酸化することにより分割ゲートとした架橋カーボンナノチューブトランジスターにおいて、分割ゲートに交流電圧を印加することで、p 領域と n 領域に蓄積された正孔と電子を拡散させることで励起子生成をねらう。
バンドギャップ収縮のゲート制御については、分子吸着を利用した光伝導度測定を実施する。分子吸着状態と脱離状態の双方に対する光伝導度測定結果の比較により、ゲート誘起キャリアによるバンドギャップ収縮効果について分子吸着状態の影響も含めた詳しい知見を得ることを目指す。光伝導度測定では、自由キャリアを生成する連続準位由来の光伝導度ピークにより、バンドギャップエネルギーの直接計測が可能となっており、ゲート電圧により電荷を蓄積して、このピークのシフト量を調査する。
ゲート誘起トリオンへの吸着分子の遮蔽効果については、その発光エネルギーを分子吸着前後に測定することで評価する。架橋カーボンナノチューブ電界効果トランジスターを用いて、ゲート電圧を印加することによりキャリアを蓄積させ、トリオン状態からの発光を分光する。分子の吸着および脱離を制御する手法を確立し、分子吸着状態と脱離状態における発光エネルギーの変化を測定する。これまでの研究により大気分子の吸着に由来するバンドギャップ収縮および励起子束縛エネルギーの変化が明らかになっているため、トリオンのエネルギーへの影響と定量的に比較する。
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