【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

超高空間分解を実現するナノカーボン光分析装置
研究代表者：慶應義塾大学

牧英之【基本構想】
カーボンナノチューブやグラフェンを用いた光源は、超小型で超高速な光源をシリコンなどのあらゆるチップ上に集積化できることから、本光源を用いることで、従来の電球や半導体光源では実現できない新たな分析装置を開発することができる。本プロジェクトでは、ナノカーボン材料のナノ構造に注目し、従来の光分析での空間分解能の壁を打ち破る、全く新しい高空間分解能の光分析装置を開発する。このような全く新しい高分解能の光分析装置を実現することにより、従来の光分析装置では困難であった微小領域の分析や高分解能のイメージング装置を開発することが可能となることから、化学、物理、材料、バイオ領域といった幅広い分野で利用可能な新しい光分析技術を構築する。令和 3 年度は、多層グラフェン光源チップによる新しい原理の赤外分析技術を開発し、グラフェン光源チップを用いたことで安価かつ小型な赤外分析を可能とするだけでなく、従来のフーリエ変換赤外線分光装置（FT-IR）の空間分解能や理論限界の「回折限界」を超える、極めて高い空間分解能の赤外イメージングを実現した。

１．研究目的
カーボンナノチューブやグラフェンといったナノカーェン成長に成功するとともに、それらをシリコン基板上に直接パターニング成長させる方法の開発にも成功してきボン材料を用いたナノカーボン光源は、シリコン基板上に集積可能な、超小型で超高速な光源として期待されている。

た。さらに、量産可能なグラフェンを用いた発光素子のデモンストレーションにも成功するなど、基礎研究から応用

これまでに我々は、カーボンナノチューブやグラフェンを用いた超小型黒体放射発光素子の作製や、これらの発光メ研究まで幅広く光源開発を進めてきた。これらの成果を踏
まえ、令和 3 年度は、多層グラフェン光源チップによる新カニズムの起因の解明に成功するなど、世界に先駆けてナノカーボン材料を用いた光源の開発に成功してきた。特に、しい原理の赤外分析技術を開発し、グラフェン光源チップを用いたことで安価かつ小型な赤外分析を可能とするだ

ナノカーボン光源は、従来の半導体光源や電球などとは異なり、シリコンチップ上にダイレクトに集積できることか

けでなく、従来のフーリエ変換赤外線分光装置（FTIR）の空間分解能や理論限界の「回折限界」（顕微鏡などにおら、従来の光源では実現できない新しい原理や構造の光デバイスやその応用を展開可能である。また、ナノカーボン

いて、光の回折現象によって生じる空間分解能の理論限界。
光の波長に比例することから、波長の長い赤外光では、回光源は、最高で 1 GHz 以上の超高速変調が可能であることが示されており、これは、従来の熱光源と比べて 100

折限界によって空間分解能が下がる）を超える、極めて高い空間分解能の赤外イメージングを実現した。これらの成万倍以上も高速であることから、従来の熱光源では実現できない新たな機能や原理による光デバイス応用が実現で果に関して、下記に簡単に報告する。

きる。本戦略シーズ育成事業においては、研究代表者が独自に開発してきたこれらのナノカーボン発光素子を用い２．研究成果(1) グラフェン光源による赤外分析技術て、従来のマクロな光源では実現できない全く新しい原理に基づく分析装置の開発を行う。ここでは、新しい分析技

鉛筆の芯などの原料であるグラファイトの一層はグラ術に最適化した構造や性能の光源開発を進めるとともに、それらの実用化も視野に入れ、ナノカーボン発光素子の量フェンと呼ばれ、本研究では、これが多層に積層した多層グラフェンを用いて赤外光源を作製している。ハロゲンラ産技術の構築を行う。さらに、これまでのナノカーボン光源とは異なる、オリジナリティの高い新たなナノカーボンンプなどの赤外光源と違い、半導体リソグラフィー技術を使って、シリコンや石英チップ上に高集積に作製すること光源の開発も平行して進めることで、全く新しい原理の分析応用を実現する光源技術の開発も進める。

が可能である。今回、新たな赤外分析技術として、サブミクロンオーダーの超微小なグラフェン光源チップを開発

本研究に関連し、これまでに我々は、様々なナノカーボン光源の開発やそのメカニズム解明に加えて、最近では、するとともに、この光源を利用した新しい原理の赤外分析により、理論的な回折限界を超える高い空間分解能を有す高空間分解能分析に向けた超小型グラフェン発光素子の開発にも成功してきた。さらに、光源の量産化に向けた研る赤外分析システムの開発に成功した（図 1-3）。

究としては、従来に比べて少ない工程で安価に量産可能なグラフェン成長法として、固体炭素源による多結晶グラフ

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図 3：開発した赤外分析装置。本図は、American Chemical Soceitryからの承諾を得て転載した。

(2) グラフェン光源を用いた赤外吸収スペクトル測
定
グラフェン光源チップは、小型・高速・安価なチップ上の全く新しい赤外光源として、2018 年の NatureCommunications 誌に掲載されるなど、本研究グループが独

図 1：開発したグラフェン光源チップ。本図は、American ChemicalSoceitry からの承諾を得て転載した。

自に開発を続けている新しい赤外光源である。本研究では、最小で 500 nm 角の超小型なグラフェン光源チップを新たに開発した。さらに、この光源に対して測定サンプルを近接させることにより、微小なグラフェン光源チップからの赤外光を利用した新しい赤外分析システムを実現した。多層グラフェン光源は、従来の FTIR でも用いられている赤外熱光源と比べて数千倍も高速に直接変調が可能（１秒間に 10 万回点滅が可能）なことから、本分析システムでは、グラフェン光源を変調させて赤外分析を行うことにより、高感度分析を実現した。これにより、グラフェン光源は、従来の赤外光源と比べて 100 万分の 1 程度の超微小な光源であるにもかかわらず、現行の FT-IR と同様の赤外分析が可能であることを示した（図 4）。

図 2：グラフェン光源チップを用いた赤外分析技術の概念図。本図は、American Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。

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図 5：市販の FTIR とグラフェン光源を用いた 2 μm 幅の「5」の形状の Ni パターンの二次元赤外イメージング。本図は、American
Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。
図 4：市販の FTIR とグラフェン光源を用いたポリスチレンの赤(4) グラフェン光源を用いた二次元化学イメージン
グ

外吸収スペクトル測定。本図は、American Chemical Soceitry からの承諾を得て転載した。

特定の化学構造（官能基）に特有の波長でイメージングを行ったところ、物質の化学構造の空間分布を示す化学イ(3) グラフェン光源を用いた二次元赤外イメージン
グメージング観測にも成功した（図 6）。

サンプルをスキャンすることで赤外イメージング測定を行ったところ、従来の FT-IR の空間分解能をはるかに超３．まとめと今後の展望える高空間分解能（1 μm）の赤外イメージングも実証した。
また、この高空間分解能は、グラフェン光源自体に生じる本技術は、高空間分解能分析技術である走査型近接場光学顕微（SNOM）とは異なり、高価で大型な波長可変レー近接場（物体表面において波長に比べて十分近い距離に発生する非伝搬光。物質表面に局在するとともに、そのサイザーなどの外部光源やプローブを一切用いることなく、光源自体に生じる近接場を直接用いることで高空間分解能

ズが物体の寸法程度であることから、プローブ先端へのレーザー照射などによって発生させて、光の回折限界を超えを実現しており、新しい原理に基づいた赤外分析技術になる。本技術を用いることにより、可視光並みのイメージンた顕微鏡技術に応用されている）によって、理論的な限界である回折限界を超える空間分解能が実現されているこグや微小・微量分析を、赤外領域でも安価で簡便に利用できるようになることから、これまで赤外光が利用できなかとも明らかとなった（図 5）。本技術では、グラフェンを用いることで、光源に直接発生する近接場を用いており、った新しい分野で赤外分析が適用できるようになり、全く新しい赤外分析技術を創出することが可能となる。

新しい原理の分析・イメージング技術となる。

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図 6：グラフェン光源を用いた 50 μm 幅の「6」の形状のフォトレジストパターンの二次元化学イメージング。本図は、AmericanChemical Soceitry からの承諾を得て転載した。

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業 績
Yutaka Maeda, Kenta Nakagawa & Hideyuki Maki, “Pureand Efficient Single-Photon Sources by Shortening and【原著論文】
1. K. Shimomura, K. Imai, K. Nakagawa, A. Kawai, K.
Hashimoto, T. Ideguchi & H. Maki, “Graphene
photodetectors with asymmetric device structures on silicon

Functionalizing Air-Suspended Carbon Nanotubes”, 第 61回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポchips”, Carbon Trends, 5, 100100 (2021).

ジウム, On-line, 2021 年 9 月 1 日.

2. Shoma Nakamura, Kota Sekiya, Shinichiro Matano, YuiShimura, Yuuki Nakade, Kenta Nakagawa, Yasuaki Monnai,

3. Ryohei Imafuku, Naoto Higuchi, Hiroto Niiyama, KentaNakagawa & Hideyuki Maki, “Efficient andHideyuki Maki, “High-Speed and On-Chip Optical Switch
Based on a Graphene Microheater”, ACS Nano, 16,

Narrow-Linewidth Photoluminescence Devices Based onSingle-Walled Carbon Nanotubes and Silicon Photonics”,

2690-2698 (2022).

第 61 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合
シンポジウム, On-line, 2021 年 9 月 1 日.

3. Shinichiro Matano, Hidenori Takahashi, Natsumi Komatsu,
Yui Shimura, Kenta Nakagawa, Junichiro Kono, Hideyuki

4. K. Nakagawa, H. Takahashi, Y. Shimura & H. Maki, “AMaki, “Electrical Generation of Polarized Broadband
Radiation from an On-Chip Aligned Carbon Nanotube

light emitter based on polycrystalline graphene patterned
directly on silicon substrates from a solid-state carbon

Film”, ACS Materials Letters 626-633 (2022).

source”, RPGR2021 (The 12th Recent Progress in Graphene
and Two-dimensional Materials Research Conference),

4. 牧英之，中川鉄馬，“ナノカーボン材料を用いた光電子デバイス開発”，炭素材料の研究開発動向 2021，58-69，

On-line, 2021 年 10 月 12 日.

2021 年 6 月.

5. S. Matano, H. Takahashi, N. Komatsu, Y. Shimura, K.
Nakagawa, J. Kono, and H. Maki, “Electrically Driven

5. 牧英之，中川鉄馬，“チップ上光電子デバイスに向けたナノカーボン材料”，Nanofiber，第 12 巻 1・2 合冊号，Broadband Emitter with A Macroscopically Aligned Carbon
Nanotube Film on Silicon Chips”, MNC (Micro Nano

31-36，2021 年 7 月．

Conference) 2021, On-line, 2021 年 10 月 26-29 日.

6. 牧英之，志村惟，中川鉄馬，“ナノカーボン材料を用いたシリコンチップ上光電子デバイス”，光学，第 50 巻

6. 中川鉄馬，高橋英統，志村惟，牧英之，“シリコン基板上の多結晶グラフェン直接パターニング成長と発光素第 9 号，379-385，2021 年 9 月.

子化”，第 48 回炭素材料学会年会，On-line，2021 年 12月 1-3 日.

7. 牧英之，志村惟，中川鉄馬，“シリコンチップ上ナノカーボン光デバイス”，応用物理，第 91 巻第 2 号，86-90，

7. 俣野眞一朗，高橋英統，小松夏実，志村惟，中川鉄馬，

2022 年 2 月.

河野淳一郎，牧英之，“カーボンナノチューブ配向膜を用いた黒体放射光源の開発”，第 48 回炭素材料学会年

8. 大矢秀真，牧英之，中川鉄馬，“カーボンナノチューブ室温・通信波長単一光子源とチップ上光素子への展望”，
光アライアンス 第 33 巻第 3 号， 25-28，2022 年 3 月

会，On-line，2021 年 12 月 1-3 日.
8. 大矢秀真，河部倫太郎，高木宏，井樋孝行，前田優，
中川鉄馬，牧英之，“カーボンナノチューブを用いた高1. K. Nakagawa, H. Takahashi, Y. Shimura & H. Maki, “A

純度高効率単一光子源の開発”，第 48 回炭素材料学会
年会，On-line，2021 年 12 月 1-3 日.

light emitter based on polycrystalline graphene patterned
directly on silicon substrates from a solid-state carbon

9. 今福諒平，樋口直人，新山央人，中川鉄馬，牧英之，“シsource”, International Conference on the Science andApplication of Nanotubes and Low-Dimensional Materials

リコンフォトニクスを用いた高効率・狭線幅カーボン
ナノチューブ発光素子の開発”，第 48 回炭素材料学会(NT21), On-line, 2021 年 6 月 8-10 日.

年会，On-line，2021 年 12 月 1-3 日.

【口頭発表】

10.S. Matano, H. Takahashi, N. Komatsu, Y. Shimura, K.

2. Shuma Oya, Rintaro Kawabe, Hiroshi Takaki, Takayuki Ibi,

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Nakagawa, J. Kono, and H. Maki, “Electrically Driven
On-Chip Broadband Emitter with A Macroscopically
Aligned Carbon Nanotube Film”, MRM 2021 (Materials
Research Meeting 2021), Pacifico Yokohama, Yokohama,Japan, 2021 年 12 月 13-17 日.

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