Exciton engineering in single-walled carbon nanotubes

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02558
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Kato Yuichiro 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (60451788)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ナノチューブ・グラフェン / 光物性 / ナノ構造物性 / ナノ物性制御 / ナノマイクロ物理

Outline of Final Research Achievements

Various excitonic processes were studied using chirality-identified carbon nanotubes. The anthracene-assisted transfer technique was developed to achieve deterministic integration of carbon nanotubes into device structures. Pentacene decoration was used to modulate the exciton energy landscape for improving the quantum emission characteristics. The radiative quantum efficiency of bright excitons in carbon nanotubes were determined by modifying the exciton dynamics through cavity quantum electrodynamical effects. The formation of quantum defects in air-suspended nanotubes using a vapor-phase reaction was demonstrated. Mixed-dimensional heterostructures with two-dimensional materials were fabricated, where exciton transfer was observed.

Free Research Field

光物性・ナノデバイス物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

発光効率の高い架橋カーボンナノチューブにおいて、有機分子を用いた誘電率の局所変調と量子欠陥導入という二つの手法により、励起子発光の制御が可能であることを示せた。さらに、明るい励起子の発光量子効率がほぼ100%であることを明らかにできた。いずれもカーボンナノチューブの量子発光応用に資する成果である。また、カイラリティを同定したカーボンナノチューブと層数を同定した二次元物質による異次元ヘテロ構造の作製に初めて成功し、新たな励起子現象を観測した。原子精度で構造が分かっているナノ物質により構成されるデバイス実現への発展が期待される。