2022 Fiscal Year Annual Research Report

Development of novel infrared emitters: resonant antenna emitters

Research Project

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。３年度目には、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ものの、現在のプログラムでは本研究の共鳴トンネル構造には十分な機能を持たないことがわかってきた。本年度、メーカーとの議論の結果、我々専用の量子構造計算プログラムの提供を受けることができ、計算と実験の一致度が飛躍的に向上した。これまで一試料で発光を確認できただけであったが、本年度は上記計算に基づいて多数の共鳴量子アンテナ光源を設計・試作し、いずれでも中赤外発光を観測できた。特にフォノン散乱による共鳴トンネル電子の減衰を抑制するため、共鳴トンネル構造を極端に非対称化し、電子の電極までの走行距離を短くしたことが功を奏し、共鳴的な発光が多く観測された。ただし一方で、非共鳴電流による発光という予期していなかった発光現象にも遭遇した。その電圧に対する挙動は、過去に報告のない興味深い特徴を示す。系統的な挙動を調査中であるが、現時点で発光の起源が解明できていない。本研究により、既に研究され尽くしたと思っていた半導体ナノ構造において、手付かずで未解明の領域が今なお大きく拡がっていることを確認できた。それは量子井戸とメタマテリアルを融合して初めて観察できた現象で、本研究独自の成果と言える。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。