2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel infrared emitters: resonant antenna emitters
| Project/Area Number |
19H00875
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
宮崎 英樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (10262114)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間野 高明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (60391215)
井上 純一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (90323427)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | メタマテリアル / 光アンテナ / トンネル発光 / 赤外光源 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、共鳴トンネル構造を独自の光アンテナ構造に挟み込んだ「共鳴量子アンテナ光源」を開発し、熱放射光源を代しうる新原理赤外光源を実現することを目指している。２年度目に、ウエハ接合技術を用いて共鳴トンネル構造を金属／半導体／金属構成の光アンテナ構造に挟み込み、系統的に寸法を変えた多数の共鳴波長の光アンテナ構造を作製し、熱放射を分離するために３Ｋという低温で発光計測を進めたところ、波長４．７μｍにおいて、アンテナで増強されたトンネル発光を観測することまで成功していた。
本年度はまず、見通しを持った量子井戸設計を実現するために、非平衡グリーン関数法による数値計算を新たに導入した。これまで利用してきたポアソン方程式とシュレジンガー方程式の連立解法では、バイアス電圧を印加し、大きな電流が流れる非平衡状態を扱うことができなかった。非平衡グリーン関数法では、バイアス電圧を印加し、共鳴的なトンネル電流が流れる状況も計算できる。しかし、商業的に入手可能な非平衡グリーン関数法計算プログラムは、基本的に量子カスケードレーザのような周期系に特化して開発されており、本研究の共鳴トンネル構造が1個だけ存在する有限系には十分な機能を持たないことがわかってきた。本年度中に近似的な計算結果を得る手法を確立し、計算に基づいた共鳴トンネル量子井戸構造を実際に試作し、計算とほぼ一致する実験結果を得るまでに至った。
一方で、微弱な発光であってもスペクトルを高感度に計測できる、冷却分光システムの改良を進めた。具体的には、３Ｋまで冷却可能なクライオスタットに搭載した微小な試料の数１０μｍ各の発光領域を、フーリエ変換赤外分光光度計に正確に位置決めできるシステムを構築した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度の当初計画では、ＣＯ２濃度計測を可能とする波長３．９５μｍと４．２６μｍの２波長光源など、具体的な応用を想定した光源の試作にまで進むことを目指していた。今回、狙った波長で共鳴トンネル効果とプラズモン共鳴を両立する量子井戸を見通しを持って設計する技術の確立を目指したが、基本的な構造で計算と実験の一致を確認するだけに留まった。本来はその上で、特定の波長を狙った量子井戸、光アンテナ設計を実現することを目指していた。従って、やや遅れていると評価するしかない。大電流の流れる量子井戸設計のために導入した非平衡グリーン関数法プログラムが本研究の対象構造に対しては現実にはあまり適合していないことが判明し、孤立した共鳴トンネル構造に対して妥当な解を導き出すための方法の確立に苦労したことが主な理由である。しかし、プログラムの特性をよく理解した上で、近似的に求める解を導出する方法が獲得できたので、今後、見通しを持った設計を進める準備はほぼ整ったものと評価している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
計画には特に変更はない。試料についてはほぼ整った結晶設計・成長環境において、電極金属界面から共鳴トンネル構造までを接続する層構造、トンネル共鳴準位をどのくらいのエネルギー位置に設定すべきかという量子準位について、設計・作製・評価のサイクルをできる限り繰り返し、近似計算に必要なパラメータを明らかにしていく。光学系については、ほぼ完成した高精度発光評価システムに、熱放射とトンネル発光を明瞭に分離するための高速変調法を導入していく。トンネル発光までは既に観測できているので、大きな材料系の変更は必要ないと判断している。最終年度となる本年度は、これらの数値計算技術、計測技術を統合して、明確な共鳴トンネル発光の確認とその性質の解明、詳細な発光効率の定量評価を進める。その上で、具体的な応用を想定した光源の試作にまで進むことを目指す。想定しているのは、波長３．９５μｍと４．２６μｍの２波長光源である。これによりＣＯ２濃度計測が可能になる。この応用対象はニーズが大きいことと、比較対象の光源（研究代表者自身が過去に開発した熱放射アンテナ光源や市販のＬＥＤ）が揃っている点が利点である。
|
