理研ら，異次元ナノ半導体界面に潜む量子光源を発見

理化学研究所（理研），筑波大学，東京大学，慶應義塾大学は，1次元と2次元という異なる次元性を持つナノ半導体の界面において室温で動作する量子光源が存在することを発見した（ニュースリリース）。

半導体素子の微細化は物理的制約に直面しつつあり，室温でも量子効果による新たな物性の発現が期待できる，1次元半導体である単層カーボンナノチューブ（CNT）や2次元半導体である遷移金属ダイカルコゲナイドなどの低次元半導体の研究が重要な分野となっている。

代表的な1次元半導体であるCNTは，炭素原子1層の膜（グラフェン）を筒状に丸めた構造を持つ。その巻き方はチューブの円周方向のベクトルを定義する二つの整数（n,m）により決まる。（n,m）の値によりCNTのバンドエネルギーは大きく変わるため，発光測定を利用することで原子配列を厳密に同定することができる。

一方，遷移金属ダイカルコゲナイドの一種であるセレン化タングステンは，タングステンとセレンの原子から成る層状の次元半導体で，層間はファンデルワールス力という弱い力によって結合している。

異なる次元性を持つこれら二つの低次元半導体を接合させたヘテロ構造を作ると，CNTの大きなバンドエネルギー変調を利用することで，原子数層程度の極薄半導体構造でのバンドエンジニアリングによる新たな物性や革新的な機能の発現が見込める。

これまで理研は，幾何構造（原子配列）を同定したCNTと特定の層数を持つセレン化タングステンを正確な位置に配置して接合させ，次元性が異なる構造を持つナノ物質を組み合わせて清浄で欠陥の少ないヘテロ構造を構築し，バンドエネルギー共鳴によって励起子移動が増強する現象を発見した。

このとき励起子移動が起きるのはタイプⅠヘテロ構造だったが，電子と正孔が分かれやすいタイプⅡヘテロ構造では新しい種類の励起子状態が発現する可能性があるため，今回，その発光特性を調べたところ，室温で明るい量子発光を示す界面励起子が存在した。

界面励起子はタイプⅡヘテロ構造を形成するバンドギャップエネルギーの大きいCNTを用いた場合でのみ観測されることを確認し，予想通りに長寿命であることも明らかになった。さらに，予測されていなかった特性として，室温でも界面励起子が局在化しており，単一光子を発生することが分かった。

研究グループは，異次元ヘテロ構造の界面励起子が量子光源として振る舞うことは想定外であり，室温で動作する通信波長帯の単一光子源として量子技術への応用に新たな道を開く可能性があるとしている。