丸文学術賞 ● 受賞者

半導体・カーボンのナノ構造を用いたテラヘルツ波画像技術の開発と応用に関する研究
新規開拓電磁波の極限計測による新現象・新機能の発見を目指して

河野 行雄
東京工業大学 量子ナノエレクトロニクス研究センター
准教授

分解能をいかに達成するかという大きな課研究の背景検出が、物質における新現象・新機能の題に直面している。これは、高性能検出器発見、生命活動や宇宙創生の謎の解明

テラヘルツ（THz, 10 12 Hz）電磁波技の欠如、可視光に比べて長いTHz波の波につながると期待されている。今回開発し術は、生体分子分光学・電波天文学・物長（0.1〜1mm程度）から高い空間分解能た検出器は、これら現代科学のフロンティ性科学などの基礎科学から情報通信・医が容易に得られない等に起因する。以上かアに貢献する基盤要素技術となり得る。

療・セキュリティなどの実用的応用に至るら、高性能なTHz検出・イメージングは、その幅広い分野にわたって必須とされている。

技術的確立が容易ではなく、現代光科学

ところが、THz電磁波は光領域と電波領技術の中で高い独創性の要求されるチャ域の間にあるため、２０世紀の科学技術がレンジングな課題となっている。

は、発展が取り残された 最後の砦 とも言

近接場型とパッシブ顕微計測
従 来のレンズによるT H zイメージング
では、空 間 分 解 能が 波 長 程 度（ 0 . 1 〜

築いてきた光学と電子工学という既存の２大技術が単純に適用できない。THz帯

2. イメージング開発：オールインワンチップ

研究の成果1mm）に限定され（回折限界）、大きな問題となる。これを解決するために、回折限える。
ところが、THz電磁波が可視光を通以上を背景として本研究は、半導体や界を超える近接場THzイメージングの開さない物質でも適度に透過すること、光子カーボンの低次元ナノ電子材料が持つ特発に取り組んだ。従 来よく使 用される先エネルギーがmeVという様々な物質・生体徴を活かした、新しいTHz検出・イメージン

鋭プローブ式から発 想を全く変えて、ア系の重要な領域に属することから、このエグ技術の開拓と、それを用いた、物質・デバ

パーチャ・プローブ・検出器全てが半導体

ネルギー領域における電磁波の検出・イ

イス中の電子の振舞いの解明を目的とし（GaAs/AlGaAs）
ワンチップに集積化さメージング技術は、セキュリティ、医療、材て行った【1】。

れたユニークな素子を考案・創出した（図2）。この素子により、近接場THz光のみを料・デバイス検査などへの応用が可能である。そのため、研究・生産現場だけでなくわ

1. 検出器開発：半導体量子構造、カーボン

高感度に検出し、波長の制限を突破（分れわれの日常生活にも大きな恩恵をもたらナノチューブを用いた超高感度・周波数解能9μm、波長の24分の1）することにすことが期待され、世界中から熱い視線が可変THz光子検出器成功した【 4, 5 】。この素子は、各要素間の寄せられている。

従来のTHz検出器は、光子１個の吸収光学的・機械的調整が不要で信頼性・実用性が高い。

しかしながら、THz検出・イメージングの応に対して伝導電子１個の励起になるため、用を進めていく上で、高感度検出・高空間必然的に検出感度に限界がある。この問さらに最近、この素子と、高精度スキャニ題を克服するために、カーボンナノチューングを可能にするチューニングフォークとを組

ブ量子ドットと半導体中2次元電子ガスがみ合わせることにより、分解能400nm（波長結合したハイブリッド構造を作製し、2次元の約540分の1）という超高解像度なTHzイ電子中でTHz励起されたキャリアを、カーメージングを実現した。
これにより、外部THz

ボンナノチューブによる高感度電荷センサ

光源なしで対象物からのTHz発光を顕微

図1 カーボンナノチューブ／半導体2次元電子ガス複合構造によるTHz検出器の概念図

ソース
カーボンナノチューブ
ゲート
GaAs/AlGaAs

ドレイン
2次元電子ガスで読み取る新機構を創出した（図1）。この計測する技術（パッシブ顕微計測）を達成

検出器は、究極感度である単一光子検出した。
これらは、THzナノイメージング というレベルにまで到達し、検出自体が周波数新しいツールの創出である。今後さらなる改可変性を持つため、超高感度・周波数可良により、これまで波長の長さゆえ観測でき変THz光子検出器として機能する【2, 3】。

なった、ナノ電子材料や生体細胞・高分子１

現在、物質中電子、生体系高分子、天体つ１つにアクセスし、THz画像・分光解析を系星間物質からの極微弱なTHz放射の行うという今までにない研究の展開が可能

図2 ワンチップ構造による近接場THzイメージングセンサの概念図

許を取得した。
さらに、グラフェン中のポテン

図3 半導体における電位分布とTHz発光分布の観測結果

シャル揺らぎを直接観察することに成功し、THz・赤外共鳴との関連について重要な知
これらは、THz電磁波見をもたらした【9, 10】。
をプローブとして、ディラックフェルミオンの振る舞いに迫ることを可能にした点で、高い意義を持つ成果である。
また、THzイメージングの新たな応用として、最近、高分子のTHz画像観察に成功し、THz領域における高分子の空間ダイナミクスを探求する道筋を示した。

である。
この強力な研究手法は、ナノ構造の将来の展望

ルに対するマクロなサイズ効果【8】を明らか

電子物性や高分子が司る生命活動の解明にした。これらは、通常の電気抵抗測定でテラヘルツ領域に重要な特性が隠されにおいて、新たな視点から豊富な情報をもたは観測・解明が不可能であった、初の成果ているとされる系は、半導体、超伝導体、有らすことが期待できる。

である。

機導体、高分子、生体系、宇宙・天体系な

次に、THz計測をグラフェン（炭素結晶のど幅広い。従来の物理・化学・生物という枠

3. 電子材料・デバイス研究への応用：単原子層）に応用する研究を展開した。こを超えて、自然科学・工学を総合的に俯瞰

半導体量子構造、グラフェン、高分子の物質では、キャリアが質量ゼロのディラッする観点が必要であり、そのたゆまぬ探求さらに以上の高機能THz計測を電子材

クフェルミオンと見なされ、特異な物性を発から新しい産業が生まれると期待される。今料・デバイス研究へ応用する研究を展開し現することから、世界中で大きな注目が寄せ回開発した技術はTHz電磁波の極限計測た。

られている。本研究では、グラフェンのランダであり、今後、単一バイオ・分子THz解析やまず、独自に創出した電位分布観測技

ウ準位形成が通常の半導体とは著しく異THz光子相関といった新しい分野の開拓術【6】とTHz顕微鏡との複合顕微鏡を開発なることに着目し、0.8〜33THz程度の相につなげていきたい。

し、磁場中半導体ヘテロ構造2次元電子当な広帯域における、ディラックフェルミオン

本研究は、東京大学、理化学研究所、系（量子ホール系）に応用した。実験結果のTHz・赤外共鳴による光伝導を実証した東京工業大学において行われたものです。

から、ランダウ準位の基底・励起状態各々【9】。
この結果は、新しい広帯域THz・赤外共同研究者の皆様に深く感謝申し上げま（図3）、ならびに伝導チャネの電子分布【7】分光器になることを示しているため、米国特す。

補足説明
近接場イメージング
自由空間を伝搬せずに局在した電磁場を総称して近接場光（あるいはエバネッセント光）と呼ぶ。これは、波長よりも小さなサイズの穴に光照射された場合の穴の背後などにおいて発生する。近接場光のサイズは、電磁波の波長には依存せず、発生部における構造物の形状によって決定される。
この近接場光を照射あるいは検出することによって、波長の制限を超える、極めて高い解像度の光学像を得ることができる。
グラフェン
炭素結晶の単原子層膜。理論的には質量ゼロのキャリアが流れていると理解される。将来の高性能電子材料（高速トランジスタや透明電極等）として期待されている。
グラフェンの作製と電気伝導の測定に成功したGeim教授とNovoselov教授は2010年ノーベル物理学賞を受賞した。

References（参 考 文 献）
【1】総説としてY. Kawano, Highly Sensitive Detector for On-Chip Near-Field THz imaging ,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 17, 67 (2011). (Invited paper)【2】Y. Kawano, T. Uchida, and K. Ishibashi, Terahertz sensing with a carbon
nanotube/two-dimensional electron gas hybrid transistor , Applied Physics Letters
95, 083123 (2009).
【3】河野行雄, テラヘルツ光子の検出とその応用 , 日本光学会誌 41, 521 (2012).
【4】Y. Kawano and K. Ishibashi, An on-chip near-ﬁeld terahertz probe and detector ,Nature Photonics 2, 618 (2008).
【5】河野行雄, 高感度テラヘルツ波検出器 ―近接場イメージングへの応用― , 日本光学会誌 38,81 (2009)（巻頭口絵）【6】Y. Kawano and T. Okamoto, Scanning electrometer using the capacitive coupling in quantum
Hall eﬀect devices , Applied Physics Letters 84, 1111 (2004). (Selected for cover)【7】Y. Kawano and T. Okamoto, Imaging of intra- and inter-Landau-level scattering in quantum
Hall systems , Physical Review B (Rapid Communication) 70, 081308(R) (2004).
【8】Y. Kawano and T. Okamoto, Macroscopic Channel-Size Eﬀect of Nonequilibrium Electron
Distributions in Quantum Hall Conductors , Physical Review Letters 95, 166801 (2005).
【9】Y. Kawano, Wide-Band Frequency-Tunable Terahertz and Infrared Detection with
Graphene , Nanotechnology (2013), in press.
【10】Y. Kawano and K. Ishibashi, Scanning nanoelectrometer based on a two-dimensional
electron gas transistor with a probe-integrated gate electrode , Applied Physics Letters96, 142109 (2010).