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2018年度は、カーボンナノチューブを直接合成したデバイスやグラフェンを転写したデバイスにおけるラマン散乱光の増強について調査した。
励起光と発光が同時に共鳴して増強される双共鳴現象を利用するため、ラマン散乱の条件に合う双共鳴波長を持つシリコンフォトニック結晶シフトL3型微小共振器を作製した。シリコン・オン・インシュレーター基板を用いて電子線描画、ドライエッチング、ウェットエッチングにより、チップ上に数百個程度の共振器を加工した。作製後にカーボンナノチューブを直接合成したデバイスやグラフェンを転写したデバイスに対して、試料走査型共焦点顕微分光装置によりラマン散乱光の増強を評価した。
グラフェンを転写したデバイスにおいては、G’モードとの双共鳴を実現し、未加工部分と比較して約60倍の増強が実現できた。ラマン光の空間分布と偏光依存性から、フォトニック結晶中の伝搬モードによる励起光の増強が大きく関与していることを明らかにした。さらに、フォトニック結晶の格子定数や空孔径を調整することで双共鳴の波長を変化させ、異なる波長でもラマン散乱の増強が得られることを示したほか、励起光の増強度と発光の増強度を定量的に明らかにした。
カーボンナノチューブを直接合成したデバイスでは、ラマン散乱と伝搬モードの共鳴により、最も明るいもので通常より二桁ほど高い強度が実現できた。さらに、励起強度に対して発光強度が線形以上に増加するデバイスも観測されたため、励起分光などを繰り返して調べたところ、励起光が伝搬モードと結合している場合に、励起強度を上げることでデバイスが加熱して伝搬モードの波長が変化し、励起光との離調が減少して結合が改善する場合に起きていることが明らかになった。
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