2018 Fiscal Year Annual Research Report
Atomic-scale terahertz nanoscience far beyond the diffraction limit
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17H01038
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / 単一分子 / カーボンナノチューブ / 量子ドット / 単一電子トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、単一量子ドット、ナノワイヤー、分子など極限ナノ量子構造を用いてトランジスタを形成し、その中における電子のダイナミクスを応用して、エレクトロニクスに新しい局面を拓こうとする研究が重要となりつつある。しかし、ナノ構造の物性解明と制御に非常に有効なテラヘルツ（THz）電磁波と極微細なナノ量子構造との相互作用は極めて弱い。本研究では、nmオーダーのギャップを有する極微金属電極をTHz電磁波に対するアンテナとして用いることにより、回折限界をはるかに超えてTHz電磁波を集光し、極微ナノ構造中の電子状態や伝導ダイナミクスを明らかにする。
特に本年度は、以下のような成果が挙がった。
１）単一金属内包フラーレン分子にアンテナ型金属電極を形成し、THz誘起光電流を測定することにより、内包された金属原子のラトリングの超高速スペクトルを測定した。振動モードは、bendingモードとstretchingモードからなり、それぞれのTHz誘起電流の極性はトンネル確率の非対称性に起因する光起電力効果が大きな役割を果たすことがわかった。また、２つの振動モードのコヒーレンスは低く、振動のQ値は1程度であった。このことは、フラーレンカゴ分子自身の形状のフレキシビリティにより、原子軌道がカオス状になることを反映しているものと思われる。
２）単一の金属型カーボンナノチューブに電極を形成し、単一電子トランジスタ構造とすることにより、非常にシャープなサブレベル間遷移スペクトルを観測した。本年度は、様々な種類（単層、多層など）のカーボンナノチューブの測定を可能にするために、溶液にナノチューブを分散させる方法について検討を行った。
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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、nmスケールの隙間を有するナノギャップ電極により、直流電気伝導測定から静的な特性を、またテラヘルツ電磁波を照射したときの電流変化分（光電流）から電子伝導のダイナミックな情報を得ると言う手法を駆使して、単一分子やナノチューブ・ナノワイヤーの電子状態を明らかにする研究を進めている。上記のように、本年度は金属内包フラーレンの特性、特に内包された原子の振動スペクトルの測定や、単一のカーボンナノチューブのテラヘルツ分光に成功した。これらは、いずれも予定通りの進捗とは言え、世界初の成果であり、カーボンナノチューブの成果はIFの高い論文誌に掲載された。またフラーレンに内包された単一原子のテラヘルツダイナミクスに関する成果については、論文を準備中である。
単一分子やカーボンナノチューブの実験に関しては、試料作製や測定系の整備のために、今年度はあまり大きな進展はなかったが、測定系の安定性が増したので、来年度に実験を進める予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、nmスケールの隙間を有するナノギャップ電極により、直流電気伝導測定から静的な特性を、またテラヘルツ電磁波を照射したときの電流変化分（光電流）から電子伝導のダイナミックな情報を得ると言う手法を駆使して、単一分子やナノチューブ・ナノワイヤーの電子状態を明らかにする研究を進めている。
特に、単一分子のテラヘルツ分光においては、金属内包フラーレンを測定することにより、長波長のテラヘルツ電磁波でも、単一原子の分光が可能であることを示せた。カゴ分子の中にある原子はラトリングと呼ばれる高速な運動をしているが、どのようなポテンシャルを感じながら振動しているのかなど、不明な点が多く、得られたスペクトルの解析を進めていく。
またカーボンナノチューブに関しては、ナノチューブ内の電子とテラヘルツ電磁波の相互作用において、電子間の多体効果が観測されるべきであるが、これまで知られているカーボンナノチューブのバンドパラメータ（フェルミ速度と呼ばれる）から期待される遷移エネルギーとは整合せず、検討を続ける必要がある。さらに、テラヘルツ分光を多層カーボンナノチューブ、ピーポッド等のような複合ナノチューブ構造に展開する。
またDirac半金属のようなトポロジカルな電子材料の研究も始まったばかりであり、テラヘルツ分光の実験を行っていく。
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Research Products
(19 results)
