2019 Fiscal Year Research-status Report
Science of local optical-to-terahertz wave conversion in low dimensional nanomaterials
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18KK0140
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
斗内 政吉 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (40207593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
芹田 和則 大阪大学, レーザー科学研究所, 特任助教 (00748014)
村上 博成 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (30219901)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ波 / ナノカーボン / フェムト秒パルスレーザー / 励起子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ナノカーボン材料や、半導体原子層薄膜などの低次元ナノ構造に起因する特異な励起子やバレー自由度を持つキャリアなどの素励起を媒介とした、局所場超短パルス光・THz波変換機構を明らかにし、その知見を基に新規な光・テラヘルツ機能の開拓を行うことである。これまでに、一方向に配向した半導体CNTを用いた光伝導アンテナの作製技術を確立し、キャリア励起によるTHz波放射を観測した。CNTはファンホーブ特異性(VHS)のため、通常の半導体とはことなる特異な状態密度をとる。このバンド構造は、カイラリティ(螺旋度)と呼ばれるCNTの巻き方で決まっており、価電子帯と伝導帯の対応するVHS状態間の電子励起によるシャープな光吸収が起こる。また、クーロン遮蔽効果が弱いために、電子と正孔が対状態にある励起子が室温においても非常に安定であることが知られており、励起子相互作用がその電気的および光学的特性を支配している。我々は純粋な半導体であるカイラリティが(6, 5)であるCNTを用いて、ダイポール型光伝導アンテナを作製した。この、光伝導アンテナに波長580nm付近(いわゆるE22と呼ばれるシャープな光吸収帯)のレーザーを照射し、初めて明瞭なTHz放射を観測することに成功した。さらにこの、THz放射強度および同時に流れる光電流の励起レーザー強度依存性を測定した、THz放射はほぼ線形な振る舞いだが、光電流は非線形な応答を示すことを見出した。これは、エキシトンの励起・乖離過程が直接関係していることを理論モデルで構築し、それによるシミュレーションで検討した。その結果、フェムト秒光パルスでE22レベルに励起されたエキシトンは、弱い外部電界で即座に乖離し、e1電子バンドに遷移することで、高速電子加速が可能となり、テラヘルツ波が放射されることを突き止めた。
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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
我々は純粋な半導体であるカイラリティが(6, 5)であるCNTを用いて、ダイポール型光伝導アンテナを作製した。この、光伝導アンテナに波長580nm付近(いわゆるE22と呼ばれるシャープな光吸収帯)のレーザーを照射し、初めて明瞭なTHz放射を観測することに成功した。さらにこの、THz放射強度および同時に流れる光電流の励起レーザー強度依存性を測定した、THz放射はほぼ線形な振る舞いだが、光電流は非線形な応答を示すことを見出した。これは、エキシトンの励起・乖離過程が直接関係していることを理論モデルで構築し、それによるシミュレーションで検討した。その結果、フェムト秒光パルスでE22レベルに励起されたエキシトンは、弱い外部電界で即座に乖離し、e1電子バンドに遷移することで、高速電子加速が可能となり、テラヘルツ波が放射されることを突き止めた。現在は、その温度依存性を明らか見することで、より詳細な検討を行っている。昨年度後半、レーザーの故障などにより、予算執行と実験影響に出たが、研究成果は順調に上がっており、昨年度の内容は、インパクトファクターが12のNano Lettersに出版された。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度は、 カイラリティが(6, 5)である半導体CNTを用いたTHz放射波形および低速光電流のバイアス電圧依存性の励起波長依 存性を測定するとともに、理論輸送特性のシミュレーションと比較し、励起子の生成・解離過程の解明が概ね終了した。本年度 は、THz放射特性の温度依存性を計測し、その発生機構を解明する。また、配向CNTに加えて、ランダム配向CNTについても同様 な実験を行い、CNT間でのダイナミックスそう特製の解明や、配向のよる効果を調べる。また導電性配向CNT薄膜を準備し、テラヘルツ時間領域分光法により、その伝導機構を議論する。また、テラヘルツ分光による低エネルギー電荷ダイナミクスに関しても、新たに着手し、その温度依存性から、電荷ダイナミクスを議論する。ランダム配向CNTおよび導電性配向CNT薄膜の作製をライス大学で実施 するため、若手研究者をライス大学へと派遣し、共同研究先である河野研究室およびAjayanにおいて行う
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| Causes of Carryover |
実験に用いているフェムト秒レーザー波長可変装置が故障したため、若干の計画変更した。また、COVID-19により、昨年度3月に予定していたライス大学での試料作成を延期し、最終年度で実施することとした。これらによる研究の推進全体への影響は小さいと考えている。
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[Journal Article] Terahertz Excitonics in Carbon Nanotubes: Exciton Autoionization and Multiplication2020
Author(s)
Filchito Renee G. Bagsican, Michael Wais, Natsumi Komatsu, Weilu Gao, Lincoln W. Weber, Kazunori Serita, Hironaru Murakami, Karsten Held, Frank A. Hegmann, Masayoshi Tonouchi, Junichiro Kono, Iwao Kawayama, and Marco Battiato
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Journal Title
Nano Lett. 2020
Volume: 20,05
Pages: 3098,3105
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Contact-free THz nano-seismology in InGaN/GaN Multiple Quantum Wells2019
Author(s)
Abdul Mannan, I. Kawayama, K. Yamahara, F.R. Bagsican, H. Murakami, T. Langer, H. Bremers, U.Rossow, D. Turchinovich, A. Hangleiter, and M. Tonouchi
Organizer
Global Nonophotonics 2019
Int'l Joint Research
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[Presentation] Probing photocarrier dyamics in semiconducting carbon nanotubes by terahertz emission spectroscopy2019
Author(s)
Filchito Renee G. Bagsican, Iwao Kawayama, Michael Wais, Natsumi Komatsu, Kazunori Serita, Weilu Gao, Lincoln Weber, Marco Battiato, Hironaru Murakami, Frank A. Hegmann, Junichiro Kono, and Masayoshi Tonouchi
Organizer
2019 International Conference on Advanced Functional Materials and Nanotechnology
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Terahertz radiation generated by acoustic wavesin InGaN/GaN Multiple Quantum Wells2019
Author(s)
Abdul Mannan, I. Kawayama, K. Yamahara, F.R. Bagsican, H. Murakami, A. Hangleiter, T. Langer, H. Bremers, U. Rossow, D. Turchinovich, M. Tonouchi.
Organizer
The 80th JSAP Autumn Meeting 2019 JSAP-OSA Joint Symposia
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of Bi2Te3/Te striped structures using a laser terahertz emission microscope2019
Author(s)
F. Murakami, K. Serita, H. Murakami, R. Dalipi, A. M. Urbas, A. Materna, M. Buza, D. A. Pawlak, M. Tonouchi, and I. Kawayama
Organizer
44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
Int'l Joint Research
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[Presentation] Terahertz Emission from a Photoconductive Antenna Switch Based on Aligned Single-Chirality Semiconducting Carbon Nanotubes2019
Author(s)
Filchito Renee G. Bagsican, Iwao Kawayama, Michael Wais, Natsumi Komatsu, Kazunori Serita, Weilu Gao, Lincoln Weber, Marco Battiato, Hironaru Murakami, Frank A. Hegmann, Junichiro Kono, and Masayoshi Tonouchi
Organizer
21st International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
Int'l Joint Research
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[Presentation] Characteristics of THz emissions from Bi2Te3/Te striped structure2019
Author(s)
F. Murakami, K. Serita, H. Murakami, R. Dalipi, A. M. Urbas, A. Materna, M. Buza, D. A. Pawlak, M. Tonouchi, and I. Kawayama
Organizer
21st International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
Int'l Joint Research
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[Presentation] Terahertz radiation from InGaN/GaN Multiple Quantum Wells2019
Author(s)
Abdul Mannan, I. Kawayama, K. Yamahara, F.R. Bagsican, H. Murakami, T. Langer, H. Bremers, U. Rossow, D. Turchinovich, A. Hangleiter, and M. Tonouchi
Organizer
21st International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
Int'l Joint Research
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