慶大ら,広帯域の偏光を直接発生する熱光源を開発

慶應義塾大学と米Rice大学は,一次元のナノ材料であるカーボンナノチューブが高密度に配列・積層したカーボンナノチューブ配向膜を用いて,広波長帯域の偏光をダイレクトに発生させる電気駆動の熱光源の開発に成功した(ニュースリリース)。

現在,偏光を直接発生させる光源としてレーザーが用いられているが,特定の単一波長の光しか得られず,その発光スペクトルは極めて狭いため,広波長領域での分析・センシングなどへの応用は困難だった。

一方,非常に広い発光スペクトルを有する光源として,白熱電球等の熱光源があり,主に可視~赤外の広い波長領域での光源として広く利用されている。しかし,従来の熱光源は直接偏光を発生させることができないため,偏光を利用するには偏光板を組み込む必要があった。

今回,新たな熱光源の材料として,1平方センチメートルあたり10兆本と非常に多くのカーボンナノチューブが最密充填された「カーボンナノチューブ配向膜」に注目し,シリコンチップ上でデバイス化して可視~赤外で発光する熱光源を開発した。

この素子に通電加熱して発光させたところ,黒体放射由来の広波長帯域の熱放射でありながら,ダイレクトに偏光が発生可能であることを明らかにした。また,様々なカーボンナノチューブの配向方向を持つ素子を作製した結果,カーボンナノチューブの配向方向に沿った偏光が得られることを確かめた。

さらに,得られた発光特性や偏光特性から理論モデルを構築し,配向膜を構成するカーボンナノチューブの低次元性が大きく寄与していることや,偏光度がカーボンナノチューブの温度に依存して変化することも明らかにした。

また,カーボンナノチューブ配向膜の電気的・熱的異方性を積極的に利用することで,発光特性を制御したり,マイクロメートルオーダーの局所発光を実演したりすることにも成功した。

熱光源から得られる光が通常「非偏光」であることは有名な物理現象だが,この成果は,この従来の常識を覆す新しい熱光源であることを示す。電気駆動の光源であることに加えて,マイクロサイズに微細加工したチップ上の偏光熱光源となることから研究グループは,分析・センシング・光デバイスなどの様々な分野で,全く新しい偏光の応用が開拓されることが期待されるとしている。

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