単層CNT薄膜の特異な光吸収特性を発見：新型LDや熱電変換素子に期待

一方向に配向した単層CNT薄膜に、高密度のキャリアを注入制御

　首都大学東京の柳和宏教授らは2018年3月、一方向に配向した単層カーボンナノチューブ（CNT）薄膜を作製し、高密度にキャリア（電子・正孔）を注入制御したところ、単層CNT軸の垂直方向に新たな光吸収が生じることを発見したと発表した。新型の半導体レーザーやフレキシブル熱電変換素子の開発につながる可能性が高い。

　今回の研究は、スイス大学の河野淳一郎教授と共同で行った。具体的には、河野氏らが作製した一方向に配向した大面積CNT薄膜を用い、これに柳氏らが高密度にキャリアを注入した。

　研究グループは、配向制御やキャリア注入が実際に行われているかどうかを、光吸収スペクトルの偏光依存性によって確認した。実験では作製した大面積CNT薄膜に偏光を当てながら電圧を印加した。電圧を上げていくと、CNT軸の垂直方向に極めて大きい光吸収が生じることを初めて明らかにした。

上が作製した大面積CNT配列薄膜の写真。下はCNT軸に対する偏光方向とキャリア注入状態の違いによる光吸収特性 （クリックで拡大） 出典：首都大学東京

　この現象について研究グループは、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と同様なものとみている。ただ、一般的な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、1〜10meVの遠赤外光／中赤外光領域で生じるという。

　これに対し今回は、1eVの近赤外光領域で生じた。従来の1000倍に相当するエネルギー領域である。このことは、1nm程度のCNTサイズにおいて、量子閉じ込めの極限状態にあるプラズモン吸収を見出したことになる。将来は、CNTを用いた量子カスケードレーザーへの応用も可能とみている。さらに、配向CNT薄膜の熱電特性を解明することによって、フレキシブル熱電変換素子の実現を目指す考えである。