首都大,配向大面積CNT薄膜に特異な光吸収特性を発見

首都大学東京は,一方向に配向した単層カーボンナノチューブ(CNT)の大面積薄膜に高密度にキャリア(電子・正孔)を注入制御し,これまで発見されていなかったCNT軸に垂直方向の巨大な光吸収現象を見いだすことに成功した(ニュースリリース)。

CNTは,フレキシブル熱電変換素子の候補となり得る材料だが,その熱電変換特性を理解するためには,①単一電子構造のCNTに対して, ②そのフェルミレベル(電子密度)を制御し,かつ ③配列状況が制御された薄膜の熱電特性を明らかにしていく必要がある。高性能で精密なデバイスを視野に入れるためには,CNTを一方向に配列した均一な薄膜を作製し,フェルミレベルを自在に制御する技術を確立する必要があった。

研究グループは,キャリア注入によって極めて高純度に電子構造の揃ったCNTを得る手法や,そのフェルミレベルを自在に制御する手法を持っている。一方,ライス大学はCNTを一方向に配向させた大面積薄膜を作製する技術を持っていた。この研究では,この一方向に配向した大面積CNT薄膜に対して,高密度にキャリア注入制御を行なう研究を進めた。

一般的にCNTは,軸に平行の偏光方向を持つ光を吸収し,軸に垂直方向の偏光を持つ光を吸収しない。また,キャリア密度が増えると光吸収が無くなる。作製した大面積のCNT薄膜に偏光を当てながら電圧をかける実験により,CNTが一方向に配向していることとキャリア注入量が制御されていることが確認できた。

さらに,電圧を増していくと,CNTの軸に垂直方向に非常に大きな光吸収が起こることを世界で初めて発見した。このような現象は,金属型のCNTや半導体型のCNTといった特定の電子構造を有するCNTを一方向に配列させた薄膜でも確認できた。

CNTの軸に垂直方向の偏光に応答する大きな光吸収が見られたのは,半導体量子井戸において見られるサブバンド間のプラズモン吸収と同様のものとして解釈できる。通常の半導体量子井戸におけるサブバンド間のプラズモン吸収は,約1~10meVほどの遠赤外光・中赤外光領域であるのに対し,今回,CNTで確認されたのは1eVほどの近赤外光領域という従来の1000倍にも相当する大きなエネルギー領域。これは,1nm程度というCNTとしては量子閉じ込めの極限状態にあるプラズモン吸収を見いだしたことを意味するという。

半導体量子井戸におけるこのサブバンド間の光遷移現象は,量子カスケードレーザーに応用されている。よって,CNTにおいてサブバンド間のプラズモン吸収が可能であるということは,将来的にCNTを用いた量子カスケードレーザーへの応用の可能性を示唆する。また,一方向に配列したCNTの大面積薄膜を作製し,そのキャリア注入制御を精密に行なう技術も確立した。今後,配向CNT薄膜の熱電特性を解き明かしていき,高性能なフレキシブル熱電変換素子の実現を目指すとしている。

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