理研,CNTの発光効率向上へ新知見

理化学研究所(理研)の研究グループは,カーボンナノチューブ(CNT)の発光における「暗い励起子」から「明るい励起子」への変換メカニズムを明らかにした(ニュースリリース)。

今回研究グループは,暗い励起子と明るい励起子の寿命が大きく異なることに注目した。CNTにレーザーパルスを照射してエネルギーを与えると,励起子が生成される。このとき,明るい励起子は60~80ピコ秒ほどで明るく発光して消滅するが,暗い励起子はその後もしばらく残る。そして,暗い励起子の一部は明るい励起子に変換されるため,明るい発光の後に微弱な発光がしばらく続くことになる。

したがって,明るい励起子が全て消滅した後,暗い励起子に由来する発光の様子を調べれば,暗い励起子の寿命や明るい励起子への変換効率を明らかにすることができる。

ただし,CNTは幾何構造によって物性が大きく異なることから,測定にはまずその幾何構造をはっきりと決定することが重要となる。そこで,研究グループが独自開発した全自動顕微分光装置を用いて,基板上に合成したCNTの位置・幾何構造・長さを1,000本単位でデータベース化し,所望のCNTを測定対象とした(カイラリティ・オン・デマンド測定)。

この測定により,原子レベルで同一の幾何構造を持つCNTの中からさまざまな長さのものを選び出し,発光の時間変化を調べた。その結果,暗い励起子由来の発光時間は,長いCNTほど長くなることが分かった。

次にデータ解析により,暗い励起子から明るい励起子への変換効率を定量的に求めることに成功した。暗い励起子は,レーザーが照射された場所から拡散して端部に到達したときに消滅するため,長いCNTでは暗い励起子の寿命も長くなることが分かった。

また,拡散している途中で一定の速度で明るい励起子へと変換されるため,変換効率は長いCNTほど高くなることが明らかになった。さらに,暗い励起子が明るい励起子へ変換されるまでの時間(変換時間)は,CNTの長さには依存しないものの,幾何構造に依存することが分かった。

これは,変換時間は変換速度に反比例することから,変換速度が幾何構造に依存することを意味しており,変換速度が大きいほど,変換効率は高くなる。また,CNT表面に空気分子が吸着すると,変換時間が短くなり変換効率が向上することも明らかになった。

調べたCNTのうち最も変換効率が高いものは,暗い励起子の50%以上が明るい励起子に変換されていることを確認した。この変換効率は,CNTの発光効率を1.5倍に引き上げることに相当するとしており,CNTの発光効率向上やCNT単一光子源の性能向上につながる結果だとしている。

その他関連ニュース

  • 早大ら,CNTフォレストの長尺化に成功 2020年10月28日
  • 岡山大,レーザーでQカーボンの作製に成功 2020年07月31日
  • 東邦大ら,簡便に小径の半導体型CNTを分離 2020年07月13日
  • 阪大ら,CNTのテラヘルツ励起子の挙動を解明 2020年05月01日
  • 東大ら,窒素ドープ型ナノチューブ分子を合成 2020年04月15日
  • 京大,CNT内の水の挙動をX線で解明 2020年02月21日
  • 慶大ら,室温でCNTによる単一光子源を実証 2020年01月16日
  • 名大ら,外部刺激に敏感な曲面π共役分子創出 2019年12月11日