日本发现大面积单向排列单层碳纳米管薄膜的特殊光吸收性

新技术 2018年04月02日

日本首都大学东京(Tokyo Metropolitan University)柳和宏教授等人制作了单向排列单层碳纳米管(以下简称“纳米管”)的大面积薄膜,并对其实施高密度的载流子注1)(电子和空穴)注入控制,首次成功发现了纳米管管轴垂直方向的巨大光吸收现象。该研究是JST战略性创造研究推进事业中的一个项目。

纳米管具有一维筒状结构,理论上来说,应该具有很多能体现其结构一维性的有趣性质。但以前很难制作让纳米管沿单一方向排列的薄膜,也很难精确控制电子的密度,因此未能在大面积纳米管薄膜上发现一维特性。

此次研究小组制作了纳米管沿同一方向排列的薄膜,并成功实施了高密度的载流子注入控制注2)。最终在全球首次发现,用垂直于纳米管轴向方向的偏振光激发注入的电子,可使其表现出巨大的光吸收特性。

根据这种光吸收特性,在宽度为1纳米(nm)左右的纳米管中最大限度注入大量载流子,同时对其进行光波激发(等离子体吸收注3)),就可能实现使用纳米管的量子级联激光器注4)。另外,此次研究中进一步拓展了纳米管薄膜制作技术以及载流子注入控制技术,有助于实现高性能柔性热电转换元件。

这项研究是柳和宏教授与莱斯大学的河野淳一郎教授共同实施的。

相关研究成果已于2018年3月16日发表在科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)的在线速报版上。

<研究内容>

首都大学东京的柳和宏教授的研究小组拥有通过载流子注入,实现极高纯度电子结构纳米管的技术,以及自由控制其费米能级注5)的方法。莱斯大学河野教授的研究小组则拥有制作大面积单向排列纳米管薄膜的技术。在此次研究中,柳和宏教授的研究小组利用河野教授的研究小组制作的大面积单向排列纳米管薄膜,实施了高密度载流子注入控制。

是否控制了排列方向、载流子注入是否完成,可通过吸收光谱的偏振光依赖性加以确认。一般来说,纳米管会吸收偏振方向平行于管轴方向的光,不吸收偏振方向垂直于管轴方向的光。而且,如果增加载流子密度,光吸收现象就会消失。此次通过向大面积纳米管薄膜照射偏振光并同时加载电压的实验,确认到纳米管沿同一方向排列,并且可控制载流子的注入量的现象。

而且,此次研究还全球首次发现了,如果增加电压,在垂直于纳米管轴向方向会发生非常大的光吸收的现象。另外还确认了,由金属型纳米管及半导体型纳米管等拥有特定电子结构的纳米管沿同一方向排列制成的薄膜也具有这种特性。

为何利用垂直于纳米管轴向方向的偏振光进行激发时会出现巨大的光吸收现象?其原因与半导体量子阱注6)存在的子带间等离子体吸收现象相同。半导体量子阱的子带间等离子体吸收通常发生在约1~10兆电子伏特(meV)的远红外线及中红外线范围,而此次在纳米管上确认的光吸收现象发生在约1电子伏特(eV)的近红外线范围,处于相当于原来1000倍的巨大能量范围。纳米管的宽度只有1nm左右,这意味着,此次发现了在量子限制的极限状态下的等离子体吸收现象。

<未来展望>

半导体量子阱的这种子带间光跃迁现象,被应用于名为“量子级联激光器”的远红外和中红外范围的激光源。如果纳米管能实现子带间的等离子体吸收,将来就有望应用于采用纳米管的量子级联激光器。另外,此次研究还确立了利用单向排列的纳米管制作大面积薄膜,并对其精确实施载流子注入控制的技术。今后的目标是查明定向纳米管薄膜的热电特性,实现高性能的柔性热电转换元件。

<参考图>

PHOTO

·(上)将纳米管沿同一方向排列制成的大面积薄膜照片
·(下)偏振方向平行和垂直于纳米管管轴方向时,不同电子注入状态下的光吸收特性

栅极电极电压为零(VG=0.0V)时和高密度注入电子时(VG=4.3V),管轴平行方向的吸收光谱(左下图·蓝线)以及管轴垂直方向的吸收光谱(右下图·红线)。S11、S22、M11分别表示半导体型纳米管的第一、第二吸收带以及金属型纳米管的第一吸收带。ISBP(Intersubband Plasmons)为子带间的等离子体吸收带。从图中可以看出,在通常状态(VG=0.0V)下,管轴平行方向的光吸收较大,而在高密度储存电子的状态(VG=4.3V)下,管轴垂直方向的吸收(右下图·红线)在能量1eV附近达到一个峰值。

<用语解说>

注1)载流子

在固体中运输电荷的载体称为载流子,负电荷的载体称为电子,正电荷的载体称为空穴。

注2)载流子注入控制

将纳米管薄膜浸入带阳离子和阴离子的离子液体中并加载电场,在纳米管表面形成微小的双电层电容器,通过控制电场的正负和大小,来控制纳米管中存储的电荷的正负和数量。

注3)等离子体吸收

例如彩色玻璃的颜色等,金属纳米颗粒根据其尺寸的大小吸收不同的光。金属等的自由电子载流子与光发生反应、吸收光的现象称为等离子体吸收。在纳米管中,这种吸收的独特之处在于,自由电子载流子是在被限制在1nm左右的极微小空间的情况下发生的等离子体吸收。

注4)量子级联激光器

在用于激光笔等的普通固体激光器中,要想发射激光,需要同时具备电子(负电荷)和空穴(带正电荷的电子),而量子级联激光器应用了利用电子侧产生的不连续能级的共振隧道现象,因此是只利用电子即可进行激光振荡的激光器。

注5)费米能级

表示固体物质的电子密度量的指标。

注6)半导体量子阱

指通过层叠半导体材料,载流子会在平面内的二维方向自由移动,但在层叠材料的方向,载流子的移动像势阱一样受限的状态。

文/客观日本编辑部
图/3月16日新闻稿

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