2022 Fiscal Year Final Research Report

Development of novel infrared emitters: resonant antenna emitters

Research Project

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Project/Area Number	19H00875
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	Miyazaki Hideki 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) 神馬洋司日本大学, 工学部, 准教授 (00246844) 野田武司国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 上席研究員 (90251462)
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 Final Research Achievements	The dominant light source at the mid-infrared region from 3 to 10 microns remains classical thermal emitters, because of a poor energy efficiency of LEDs which is theoretically limited. In this work, we proposed resonant quantum antenna emitters as non-thermal high-intensity emitters based on a novel principle. A resonant quantum antenna emitter is made of a resonant tunneling structure, in which a giant current can flow through a resonant energy level in a quantum well between two barriers, incorporated into a metal-insulator-metal optical antenna. For perfect separation of thermal emission, the specimen was cooled down to 3 K, and infrared emission from 3 to 5 microns were measured for numbers of resonant tunneling structures. We observed emission corresponding to non-resonant current, in addition to emission peak due to resonant tunneling current. Resonant emission increased for shorter path length of resonant tunneling electrons by the reduction of optical phonon scattering.
Free Research Field	メタマテリアル
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	共鳴トンネル構造は１９８０年代に盛んに研究されたが、当時はこれを光アンテナと結び付け、発光素子として利用する構想はなかった。その後、プラズモン共鳴を人工的に顕著に発現させる光アンテナの開発が進み、本研究にて、共鳴トンネル構造の弾道電子による発光を初めて調べることができた。発光には共鳴電流だけでなく非共鳴電流も寄与すること、弾道電子の飛行距離が短いほど共鳴電流発光が顕著であること、場合によっては非共鳴電流による発光だけが観測されることなど、未解明の現象を含めて多彩な現象を観測することができた。これらの結果は、電子波も光波も制御するメタ表面デバイスの可能性を示唆している。