理化学研究所

開拓研究本部 加藤ナノ量子フォトニクス研究室
Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, RIKEN

光量子工学研究センター 量子オプトエレクトロニクス研究チーム
Quantum Optoelectronics Research Team, RIKEN Center for Advanced Photonics
http://katogroup.riken.jp/
単層カーボンナノチューブ
Single‐walled carbon nanotubes

共焦点顕微分光システムによる単一ナノチューブの光学測定
Optical characterization of individual carbon nanotubes

化学気相成長装置
Chemical vapor deposition
Pressure
Gauge

炭素源

SEM imagePressure
Gauge

Pressure
Gauge

PL images
SiNanotube

圧力調整
CNTの合成グラフェンシートが筒状に巻かれているもの
Graphene sheet rolled up seamlessly
MFC

C=na1+ma2

MFC: Mass Flow Controller

MFC

直径はナノ、長さはミクロンDimeter of ~1 nm, length > microns

a2

1 µm

2 µm

2 µm
バブリング用アルゴン
触媒金属の還元15

1.60

101.55

50.8

0.9
1.1
1.2
1.0
Emission energy (eV)05000

外因性キラリティによる巨大円二色性
Giant circular dichroism induced by extrinsic chirality

4000
3000
2000

Phys. Rev. X 4, 011005 (2014).

1000
01100

1200

1300

1400

Si substrate

1500

CNT

emission wavelength (nm)θPhys. Rev. Applied 8, 054039 (2017).

200
0
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Nanotube length (m)

シリコン微小共振器による単一光子発生レート増強
Enhanced single photon emission
using silicon microcavities

103

Sublinear
𝑃𝐿 ∝ 𝑃

Linear𝑃𝐿 ∝ 𝑃◦ Measurements• Simulations

102101

有機分子による多体効果制御
Organic molecular effects on
many‐body interactions

Phys. Rev. Applied 8, 054039 (2017).

100
10‐110‐2Normalized PL

1P

10‐3
10‐2 10‐1 100 101 102 103 104 105
Excitation power 𝑃 (μW)

Set

Reset

Bias

1.05

t

Nanotube
1.00

Adsorbed
molecules

1.05

1.00

3

1.7

Si

PL(counts/s)
10000

1.5

Si01100 1200 1300 1400
Emission wavelength (nm)

0.0
0.6
0.3
0.0-0.3-0.6-180-90090180
Angle of incidence (degrees)

冷たい励起子の電界発光
Cold exciton electroluminescence
Appl. Phys. Lett. 110, 191101 (2017).

カーボンナノチューブの光物性
Optical properties of carbon nanotubes

BiasVDS

Gate1
VG115Gate2
VG201.70.3500700900
Excitation power (μW)

5000

1.4

IRCP, ILCP

1RCP
LCP

0.6

EL

VG1 = +16 V
VG2 = −16 V
VDS = 5 V

10501.6

PL(counts/s)
500

1.5

PL (counts/s)

Excitation energy (eV)

1.6(9,7)
CNTex = 780 nm
P = 26 mW

2J. Phys. Chem. C 123, 5776 (2019).

DOC (6,5)
MeO‐DzSiO2Si
SiO21040101RCPLCP

4LCP

0.9

EL (counts/s)

40 60 80(8,7)
𝐿 = 1.17 μm

105Emission energy (eV)‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20Time (ns)102106400Intrinsic decay rate Γ 𝜏

10L = 610 nm

600

ACS Photonics 5, 559 (2018).

RCP

1300
1280

PLz



Phys. Rev. B 91, 125427 (2015).

PL intensity (arb. units)

PL intensity (arb. units)

Count rate (hour‐1)20

光双安定性と光メモリ
Optical bistability and optical memory

Generation rate 𝑔 𝜏
10‐2 10‐1 100 101 102 103 104 105

800

30x

励起子ー励起子消滅における一次元効果
Exciton‐exciton annihilation

PL intensity (arb. units)

励起子拡散長の計測
Exciton diffusion length

PL intensity (arb. units)
12

1300
1280

Objectivelensy

Phys. Rev. Lett. 104, 247402 (2010).

00Emission
wavelength (nm)201.65炭素源(arb. units)

分光により (n,m) の同定が可能
Spectroscopic determination of (n,m) possible

室温における単一光子発生
Room‐temperature single
photon emission

PL excitation spectroscopy
1.70

counts/sec

n-m が3で割り切れなければ直接バンドギャップ
Direct band gap if n-m ≢ 0 (mod 3)

Emission intensity (a.u.)

Excitation energy (eV)

カイラリティ (n,m) で構造が一意に決まる
Chirality (n,m) completely determines the structure

a1250

1.400.8 0.9 1.0 1.1
Emission energy (eV)P = 5 W
λex = 836 nm
VG1=VG2= 0 V
VDS= 0 V

PL

1000
50001200

カーボンナノチューブ・オプトエレクトロニクス
Carbon nanotube optoelectronics

ナノビーム共振器との光結合制御
Spectral tuning of optical coupling

1300
1400
1500
Wavelength (nm)Appl. Phys. Lett. 112, 021101 (2018).
Laser heating

ゲート電圧によるトリオン生成
Gate‐voltage induced trions

励起子解離の光電流検出
Photocurrent detection of exciton dissociation

Phys. Rev. B 93, 041402(R) (2016).

18

フォトニック結晶共振器による発光増強
Emission enhancement by photonic crystal cavities

ナノビーム共振器との高効率結合
Efficient coupling to nanobeam cavities

Appl. Phys. Lett. 101, 141124 (2012).

64Nat. Commun. 5, 5580 (2014).

1μm

2Gate voltage (V)3Reflectivity (arb. units)

カーボンナノチューブ・フォトニクス
Carbon nanotube photonics

21

104

−+−T-X

K

103

0102
-1

T++−+-2

PL (arb. units)

50.8

PL (counts s-1)

Phys. Rev. Lett. 112, 117401 (2014).

101

0.9
1.0
Emission energy (eV)01395 nm

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Emission wavelength (nm)

CNT
2 μm

P = 120 μWλex = 799 nm

1Appl. Phys. Lett. 113, 121105 (2018).

500103

ゲート電圧による光パルス列生成
Gate‐voltage generated optical pulse trains

030

dataCNTCavity
Fit

20Nat. Commun. 6, 6335 (2015).

10微小ディスク共振器との光結合
Optical coupling to microdisk resonators

1360

1380

Localgate Contact togate

1400

Emission wavelength(nm)フォトニック結晶共振器における双共鳴
Double resonance in photonic crystal nanocavities

Catalyst

Va
Vb
6420

暗い励起子準位の電界活性化
Electrical activation of dark
excitonic states

Phys. Rev. Applied 3, 014006 (2015).

1μmCNT

Contact toCNT

0Appl. Phys. Lett. 102, 161102 (2013).

0500

1000
time (μs)

01420
1430
1440
Emission wavelength (nm)

2 µm

2 µm

900

a = 270 nm, L2a = 380 nm, L3850

800

a = 290 nm, L1

a = 300 nm, L5750
PL (arb. units)
0.0 0.5 1.0700

10001050 1100 1150 1200
Emission wavelength (nm)

300
7.5

200

5.0

100

2.501.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Excitation energy (eV)01500

Vg=−1.5 V
0.9

1.0

1.12000

シュタルク効果
Spectral tuning by Stark effect

発光のゲート制御
Gate control of photoluminescence

Appl. Phys. Lett. 105, 161104 (2014).
PL (arb. units)
51015

Electric field (V/m)

PL (counts/s)
50100 150
λex = 857 nm(resonant)
WGM𝑇

Emission energy (eV)0Photocurrent (pA)0Electric field (V/μm)

PL (counts/s)
100200λex = 857 nm(resonant)
CNT

Excitation wavelength (nm)Photoluminescence (counts/s)

400

𝐸101

10
500.91 0.92 0.93 0.94
Emission energy (eV)Phys. Rev. B 84, 121409(R) (2011).

21(10,6)100-1-20.8

10.9
1.0
1.1
1.2
Emission Energy (eV)PL Intensity (arb. units)

DataCNT peak
WGM peak

102

100
0.8

Nano Lett. 16, 2278 (2016).
80

PL intensity (a.u.)

Catalyst

Gate Voltage (V)CNT

50dataFit

PC (nA)

100050100
PL (counts/s)

1500

Vg

02with SWCNTs
without SWCNTs

IPL (a.u)

2 µm

150

PL intensity (nm)PL intensity (arb. units)

2 µm

励起子ーキャリア相互作用に対する分子遮蔽効果
Molecular screening effects on
exciton‐carrier interactions

Nanobeam