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ゲート誘起キャリアを利用した単一カーボンナノチューブの光物性制御と光電変換

研究課題

研究課題/領域番号 16H05962
研究種目

若手研究(A)

配分区分補助金
研究分野 ナノ構造物理
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

加藤 雄一郎  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)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円)
2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2017年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
2016年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円)
キーワードナノチューブ・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 / ナノチューブ・フラーレン / マイクロ・ナノデバイス / 物性実験
研究成果の概要

単一の架橋カーボンナノチューブを組み込んだデバイスを用いて、ゲート誘起キャリアを利用した光物性制御と光電変換の手法実証に取り組んだ。分割ゲート式ダイオードにより冷たい励起子の電界発光が得られることを実証し、架橋型電界効果トランジスターにより励起子-キャリア相互作用に対する分子遮蔽効果についての知見を得た。空気分子吸着による遮蔽効果を活用して全光メモリの動作を実証したほか、微小光共振器との光結合制御も実現した。有機分子吸着により、さらに大きな遮蔽効果が得られ、また、キャリアを誘起してトリオンが生成できることも示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

加熱の影響が無視できる状況でカーボンナノチューブの電界発光が実現できることを初めて示すことができた。また、キャリアと吸着分子による複雑な遮蔽効果を紐解き、物性を制御して応用するための基礎的な知見を得ることができた。これらの成果は、シリコン基板上の電気駆動のナノスケール光源や高密度で集積可能な光メモリなど、ナノスケールのフォトニクスへの応用が期待される。

報告書

(5件)
  • 2019 研究成果報告書 ( PDF )
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果発表報告書
  • 研究成果

    (56件)

すべて 2020 2019 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (45件) (うち国際学会 27件、 招待講演 13件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] ロス・アラモス国立研究所(米国)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Hexagonal Boron Nitride As an Ideal Substrate for Carbon Nanotube Photonics2020

    • 著者名/発表者名
      N. Fang, K. Otsuka, A. Ishii, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. Nagashio, and Y. K. Kato
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 7 号: 7 ページ: 1773-1779

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.0c00406

    • 関連する報告書
      研究成果発表報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Organic Molecular Tuning of Many-Body Interaction Energies in Air-Suspended Carbon Nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Shunsuke、Otsuka Keigo、Kimura Kensuke、Ishii Akihiro、Imada Hiroshi、Kim Yousoo、Kato Yuichiro K.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 123 号: 9 ページ: 5776-5781

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.8b12496

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Super-resolution fluorescence imaging of carbon nanotubes using a nonlinear excitonic process2019

    • 著者名/発表者名
      Keigo Otsuka, Akihiro Ishii, Yuichiro K. Kato
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 27 号: 13 ページ: 17463-17463

    • DOI

      10.1364/oe.27.017463

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular screening effects on exciton-carrier interactions in suspended carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      T. Uda, S. Tanaka, Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 113 号: 12 ページ: 121105-121105

    • DOI

      10.1063/1.5046433

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spectral tuning of optical coupling between air-mode nanobeam cavities and individual carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 112 号: 2 ページ: 021101-021101

    • DOI

      10.1063/1.5008299

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Single Carbon Nanotubes as Ultrasmall All-Optical Memories2017

    • 著者名/発表者名
      Uda Takushi、Ishii Akihiro、Kato Yuichiro K.
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 5 号: 2 ページ: 559-565

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.7b01104

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Room-Temperature Single-Photon Emission from Micrometer-Long Air-Suspended Carbon Nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, T. Uda, and Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Applied

      巻: 8 号: 5 ページ: 054039-054039

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.8.054039

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cold exciton electroluminescence from air-suspended carbon nanotube split-gate devices2017

    • 著者名/発表者名
      N. Higashide, M. Yoshida, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 110 号: 19 ページ: 191101-191101

    • DOI

      10.1063/1.4983278

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Diameter-dependent Photoluminescence Energy Observed in Color Centers of Air-Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes2020

    • 著者名/発表者名
      D. Kozawa, X. Wu, A. Ishii, J. Fortner, K. Otsuka, R. Xiang, T. Inoue, S. Maruyama, Y. H. Wang, Y. K. Kato
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Dielectric screening effects on photoluminescence of carbon nanotubes on hexagonal boron nitride2020

    • 著者名/発表者名
      N. Fang, K. Otsuka, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. Nagashio, Y. K. Kato
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Radiative quantum efficiency of bright excitons in carbon nanotubes2020

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Vapor-Phase Functionalization of Air-Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes Using an Aryl-Halide2020

    • 著者名/発表者名
      D. Kozawa, X. Wu, A. Ishii, J. Fortner, K. Otsuka, R. Xiang, T. Inoue, S. Maruyama, Y. H. Wang, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 58th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Radiative quantum efficiency of bright excitons in carbon nanotubes2020

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 58th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Dielectric screening effects on photoluminescence of carbon nanotubes on hexagonal boron nitride2020

    • 著者名/発表者名
      N. Fang, K. Otsuka, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. Nagashio, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 58th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Single-carbon-nanotube photonics and optoelectronics2019

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO2019)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Organic Molecular Tuning of Many-Body Interaction Energies in Air-Suspended Carbon Nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      S. Tanaka, K. Otsuka, K. Kimura, A. Ishii, H. Imada, Y. Kim, Y. K. Kato
    • 学会等名
      235th Electrochemical Society Meeting
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exciton Physics in Air-Suspended Carbon Nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT19)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-carbon-nanotube photonics and optoelectronics2019

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      Optics & Photonics Taiwan, International Conference (OPTIC2019)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Organic molecule adsorption effects on air-suspended carbon nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      S. Tanaka, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      March Meeting of the American Physical Society
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Super-resolution imaging of air-suspended carbon nanotubes by extracting nonlinear excitonic processes2019

    • 著者名/発表者名
      K. Otsuka, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT19)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Emission enhancement of carbon nanotubes using nanobeam cavities2019

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato,
    • 学会等名
      International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT19)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular screening effects on bandgap renormalization in air- suspended single-walled carbon nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      A. Sharma, S. Tanaka, H. Machiya, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      Fundamental Optical Processes in Semiconductors (FOPS) 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exciton physics in individual carbon nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会(物性)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ubdiffraction imaging of carbon nanotubes using nonlinear excitonic processes2019

    • 著者名/発表者名
      K. Otsuka, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 56th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Bright electroluminescence from air-suspended carbon nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      W. Terashima, H. Machiya, K. Otsuka, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 57th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Room-temperature single photon emission from micrometer-long air-suspended carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, T Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      233rd Electrochemical Society Meeting
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-carbon-nanotube photonics and optoelectronics2018

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      OSA Advanced Photonics Congress
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Air-suspended carbon nanotubes for nanoscale quantum photonics2018

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      International Workshop on Nanocarbon Photonics and Optoelectronics (NPO2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Room-temperature single photon emission from carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, X. He, N. F. Hartmann, H. Machiya, H. Htoon, S. K. Doorn, Y. K. Kato
    • 学会等名
      7th Workshop on Nanotube Optics and Nanospectroscopy (WONTON18)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular screening effects on exciton-carrier interactions in suspended carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      S. Tanaka, T. Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      JSAP-OSA Joint Symposia, the 79th JSAP Autumn Meeting 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular screening effects on trion binding energies and electronic band gaps in air-suspended carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      S. Tanaka, T. Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      7th Workshop on Nanotube Optics and Nanospectroscopy (WONTON18)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectral tuning of optical coupling between air-mode nanobeam cavities and individual carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      7th Workshop on Nanotube Optics and Nanospectroscopy (WONTON18)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular screening effects on exciton-carrier interactions in suspended carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      T. Uda, S. Tanaka, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 55th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Single carbon nanotubes as ultrasmall all-optical memories2018

    • 著者名/発表者名
      T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      March Meeting of the American Physical Society
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Emission enhancement of air-suspended carbon nanotubes using air-mode nanobeam cavities2018

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      March Meeting of the American Physical Society
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectral tuning of optical coupling between air-mode nanobeam cavities and individual carbon nanotubes2018

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 54th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Single-carbon-nanotube photonics and optoelectronics2017

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      JSAP-OSA Joint Symposia, the 78h JSAP Autumn Meeting 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-carbon-nanotube photonic devices2017

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      Fundamental optical processes in semiconductors (FOPS)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical Bistability in Air-Suspended Carbon Nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      231st Electrochemical Society Meeting
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spectral tuning of optical coupling between air-mode nanobeam cavities and individual carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      JSAP-OSA Joint Symposia, the 78th JSAP Autumn Meeting 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Room-temperature single photon emission from micron-long air-suspended carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, T. Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      JSAP-OSA Joint Symposia, the 78th JSAP Autumn Meeting 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Room-temperature single photon emission from micron-lomg air-suspended carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, T. Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      Fundamental Optical Processes in Semiconductors (FOPS)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectral tuning of optical coupling between air-mode nanobeam cavities and individual carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      H. Machiya, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      Fundamental Optical Processes in Semiconductors (FOPS)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Single photon generation through exciton-exciton annihilation in air-suspended carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, T. Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      March Meeting of the American Physical Society
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Gate-voltage induced trions in suspended carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      M. Yoshida, A. Popert, Y. K. Kato
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Optical bistability in carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication and photoluminescence characterization of carbon nanotube dual-gate devices2017

    • 著者名/発表者名
      A. Sasabe, T. Uda, M. Yoshida, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Single photon generation through exciton-exciton annihilation in air-suspended carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, T. Uda, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 52nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Cold exciton electroluminescence from air-suspended carbon nanotube split-gate devices2017

    • 著者名/発表者名
      N. Higashide, M. Yoshida, T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 52nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Optical bistability in carbon nanotubes2017

    • 著者名/発表者名
      T. Uda, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 52nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication and photoluminescence characterization of carbon nanotube dual-gate devices2017

    • 著者名/発表者名
      A. Sasabe, T. Uda, M. Yoshida, A. Ishii, Y. K. Kato
    • 学会等名
      The 52nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Surface and Screening Effects on Optical Properties of Carbon Nanotubes2016

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      Pacific Rim Symposium on Surfaces, Coatings & Interfaces (Pacsurf 2016)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exciton Dissociation and Trion Generation in Individual Carbon Nanotubes2016

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Kato
    • 学会等名
      229th Electrochemical Society Meeting
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] "Exciton Physics in Single-Wall Carbon Nanotube Photonic and Optoelectronic Devices", in Handbook of Carbon Nanomaterials edited by R. B. Weisman and J. Kono (World Scientific Publishing, Singapore, 2019) Vol. 9, Optical Properties of Carbon Nanotubes, Part I: A Volume Dedicated to the Memory of Professor Mildred S Dresselhaus, Chap. 7, p. 269-396.2019

    • 著者名/発表者名
      A. Ishii, H. Machiya, T. Uda, Y. K. Kato
    • 総ページ数
      128
    • 出版者
      World Scientific Publishing
    • ISBN
      9789813235458
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [備考] 理化学研究所 加藤ナノ量子フォトニクス研究室

    • URL

      http://katogroup.riken.jp/

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      2018 実績報告書 2017 実績報告書 2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-21   更新日: 2025-03-27  

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