カーボンナノチューブとフォトニック結晶の融合による電気駆動レーザー

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2018年度は、まずデバイス作製や測定手法に慣れるために、カーボンナノチューブを利用した実験への前段階として、関連物質であるグラフェンを用いた実験から開始し、その後、カーボンナノチューブをフォトニック結晶上に合成したデバイスの測定に取り組んだ。グラフェンを用いた実験では、グラフェンとカーボンナノチューブが同じ波長でラマン散乱を起こすことに着目し、フォトニック結晶を利用したラマン散乱光の双共鳴による増強を試みた。双共鳴では励起光と発光が同時にフォトニック結晶共振器と共鳴し、励起光の増強と発光の増強が同時に起きることにより、大きな増強度が得られる。フォトニック結晶デバイスとしては、ラマン散乱の条件に合う双共鳴波長を持つシフトL3型微小共振器を設計し、シリコン・オン・インシュレーター基板を電子線描画とエッチングにより加工して作製した。グラフェンを転写したデバイスにおけるラマン散乱の増強について顕微分光により評価したところ、グラフェンのG’モードとの双共鳴が確認でき、未加工部分と比較して約60倍の増強が実現できた。また、空間分布と偏光度から励起光の増強が大きく関与していることを明らかにした。さらに、フォトニック結晶の光子定数や空孔径を調整することで双共鳴の波長を変化させ、異なる波長でもラマン散乱の増強が得られることを示したほか、励起光の増強度と発光の増強度を定量的に明らかにした。次に、カーボンナノチューブをフォトニック結晶上に合成し、ラマンおよびフォトルミネッセンスの増強を試みた。架橋部分の発光が強いことに着目し、フォトニック結晶の空孔部分の発光を利用するために伝搬モードを活用した。ラマン散乱と伝搬モードの共鳴により、最も明るいデバイスでは通常より二桁ほど高い強度が実現できた。さらに、格子定数の関数として測定評価を進め、増強度の高い伝搬モードを特定することができた。