特集

2 次元半導体を用いたプラズモン制御技術

プラズモン

グラフェン

御

動的空間制

グラフェンを用いた
テラヘルツプラズモンの動的空間制御
グラフェンではプラズモンの特性を電気的に制御可能です．この特性を利用し，電気的に指定した場所に所望の周波数のプラズモンを励起できることを実証しました．この技術は，プラズモン導波路やスイッチなどの素子へ応用可能です．

くまだ

熊田

のりお

倫雄

NTT 物性科学基礎研究所ています．特に，ナノ領域でプラズモて電気的にプラズモンの伝播速度や波ンを使って情報を伝送するナノフォト長を制御できるという金属にはない機

プラズモンとは電荷の疎密波であ

ニクスでは，これらの問題により実用能を有しています．これらの利点により，電磁波と比べて波長が短く回折限化が進展していません．この状況におり，電気的制御可能なナノフォトニク界以下の領域に閉じ込めることが可能いて，金属に替わるプラズモニクス材スの実現が期待されます．それ以外にという特徴があります．この特徴を活料として現在注目を集めているのがグも， 特 性 変 調 可 能 な メ タ マ テ リ ア

かし，プラズモン制御による応用をめラフェンです．グラフェンプラズモン

ル ＊ １ など，新たな応用の可能性が指ざした技術をプラズモニクスと呼びまは，テラヘルツ〜中赤外領域でロスが摘されています．

す．本特集記事『半導体 2 次元系にお小さいことが知られています．また，（1）けるプラズモン研究の概要と展望』

金属表面プラズモンより波長が短く，で述べられているとおり，プラズモニより小さい領域に閉じ込めることがでクスはバイオセンサ等で実用化されてきるという利点があります．具体的にグラフェンプラズモンの波長λと周います．これまでのプラズモニクスはは，電磁波をグラフェンプラズモンに波数 f の関係はλ∝√￣n /f 2であり，金属表面に励起される表面プラズモン変換することにより，電磁波の波長の電荷密度 n に依存します．この式は，を利用して行われてきましたが，ロス1000分の 1 の領域に閉じ込めることが同じ周波数であっても，電荷密度が低が大きい，制御性が乏しいといった金可能です．さらに，グラフェンプラズ

くなると波長は短くなることを意味し属では避けることができない問題があモンの波長と周波数の関係は電荷密度ています．したがって，電荷密度が急り，それによって応用範囲が制限されによって変化するため，ゲートによっ峻に変化する界面があった場合，屈折グラフェンプラズモンす．（許諾済み）

グラフェンプラズモンの電気的制御率の異なる媒質に光が入射するときと同様に，プラズモンの反射が起きます．電荷密度は，ゲート電極を用いて電気的に変化させることが可能なため，原理的には電気制御可能なプラズモン素子や回路を実現可能です（図 1（a）電荷密度境界でのプラズモン反射
電荷密度の差に応じて反射率が変化します

図1（b）メタルゲートの有無によるプラズモンの反射

電荷密度が一様であっても，電気的に制御できない反射が起きてしまいます

グラフェンプラズモンの反射＊1メ タマテリアル：光の波長より小さい周期的な構造におけるプラズモン電場を用いて物質の光学的な性質を人工的にデザインする技術．

図1 グラフェンプラズモンの反射．
2023.317特集

2 次元半導体を用いたプラズモン制御技術（a））．このような，グラフェンプラズモンのアクティブ制御に関する理論は2011年に発表されていますが，実験的にはこれまで実証されていませんでした．その主な原因は理論コンセプトを正しく実装するためのデバイス作製の難しさにあります．プラズモン波長より十分短い領域で電荷密度を急峻に変化させる必要がありますが，一般的に用いられている金属ゲートでは，遮蔽効果＊２（a） 試料構造によりゲートがある領域とな（b） テラヘルツ分光によるプラズモン測定

図2

試料構造と測定手法

い領域でプラズモン電場の分布が大きく変化し，その境界でプラズモン反射層ゲートとして用いることにより，図2 試料構造と測定手法された共振器におけるプラズモン共鳴が起きてしまいます（図 １（b））．このZnO ゲート上のグラフェンおよび Siによるものだといえます．今回の実験反射は，グラフェンの電荷密度にかかゲート上のグラフェンの電荷密度（nZnO

では，この共鳴周波数もゲートによりわらず金属ゲートの有無によって引きおよび n Si）を独立に制御できる構造変化させることに成功しています．こ起こされるもので，制御できません．

グラフェンプラズモン制御の実証
本稿で紹介する成果は，金属ではな
く高抵抗の酸化亜鉛（ZnO）薄膜を18となっています（図 2（a））．この試料の結果は，ゲート電圧を調整すること

におけるプラズモン応答は，短冊とはにより，指定した場所に，所望の周波垂直の電場を持ったテラヘルツ光を照数でプラズモンを励起できるというこ射し，その透過・吸収を測定することとを示しています．このようなプラズで調べました（図 ２（b））．

モン励起のアクティブな空間制御は共ゲート材料として用いることによって，

図 3 は，この試料におけるテラヘル金属ゲートでの制御不能な反射を回避ツ波のスペクトルです．グラフェンのし，グラフェンプラズモンの閉じ込め電荷密度が一様なとき，グラフェンにさらに，n ZnO および n Si の差を変化（2）や反射を電気的に制御した結果です ．

よるテラヘルツ光の吸収は，周波数のさせていくことで，境界でのプラズモ

前述のとおり，通常の金属ゲートの減少とともに単調に増加しています．

ン反射率を連続的に変化させることも問題は，遮蔽効果によりゲートの有無

これは加工していないグラフェンで観可能です．図 4 は n Si を一定値に固定でプラズモンの電場分布が大きく変化測される一般的な振る舞いで，確かにし，nZnO を変化させたときのスペクトしてしまうことに由来します．一方，ZnO ゲートによる制御できないプラルです．電荷密度が一様な状態から，ゲート電極の抵抗が十分高い場合，ズモン反射が起きていないということ密度差を大きくしていくと，反射率のゲート電極中の電荷がプラズモン周波を示しています．一方，ZnO ゲート増大に伴い共鳴ピークが大きくなって数で振動する電場に追随できず，遮蔽および Si ゲートを調整し，どちらかいることが分かります．実験的に得ら効果が抑制されます．そこで，私たちの領域の電荷密度をゼロの点（電荷中れた反射率の振る舞いは，光の反射では作製温度を調整することで高抵抗化性点：Charge Neutrality Point）も用いられるフレネルの法則

した厚さ20 nm の ZnO をゲートとしとした場合，スペクトルにピークが現て用いました．実験で使用した試料れています．電荷密度ゼロの領域ではは，幅 2 μm，間隔 4 μm の短冊状にプラズモンは励起されないため，この加工した ZnO と低ドープ Si 基板を 2

ピークは電荷密度が有限な領域に形成

2023.3振器だけでなく，導波路やスイッチに応用可能です．

＊2遮 蔽効果：外部から電場が加わると，金属中の自由電子が移動し金属内部の電場を打ち消す現象．

特集

図3

電荷密度変調によるスペクトルの変化

図3 電荷密度変調によるスペクトルの変化（a）nSiを一定値に固定し，nZnOを変化させたときのスペクトル
図4nZnO－√‾nSi√‾（b）電荷密度変調によるプラズモン反射率の変化

プラズモン反射制御

図4 プラズモン反射制御

R= √‾とよく一致しました（図n ＋√‾
n速度・位相を制御するような実験へと．このプラズモン反射率４（b）の赤線）発展させていきたいと考えています．

ZnO

Siの連続的な制御はプラズモンモジュレータやスプリッタ等に応用可能です．

今後の展望
これらの成果から，理論的に提案されている電気的制御可能なプラズモン回路の実装に向けたプラットフォームを準備できたといえます．今後，空間的にプラズモンを伝播させ，その方向・■参考文献（1） 熊田 ・ 熊倉：“ 半導体 2 次元系におけるプラズモン研究の概要と展望，” NTT 技術ジャー
ナル，Vol. 35，No. 3 ，pp. 14-16，2023．
（2） N. H. Tu, K. Yoshioka, S. Sasaki, M.
Takamura, K. Muraki, and N. Kumada ：“Active spatial control of terahertz plasmonsin graphene，” Communications Materials，Vol. 1, No. 7, 2020.

熊田 倫雄
グラフェンプラズモン制御に関する研
究は，まだまだ応用までは隔たりが大きい状況ですが，プラズモン伝播方向等の電気的制御は，そのブレークスルーとなると期待しています．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
量子固体物性研究グループ
TEL 046-240-3418
E-mailnorio.kumada.rb

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hco.ntt.co.jp

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