ナノ半導体間界面で「エネルギー共鳴現象」を発見：バンドエンジニアリングの適用拡大

理化学研究所（理研）と筑波大学、東京大学、慶應義塾大学らの共同研究グループは、異なる次元性を持つナノ半導体間の界面で、バンドエネルギー共鳴により励起子移動が増強する現象を発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

アントラセン媒介転写法で、異次元ヘテロ構造を作製

　理化学研究所（理研）と筑波大学、東京大学、慶應義塾大学らの共同研究グループは2023年12月、異なる次元性を持つナノ半導体間の界面で、バンドエネルギー共鳴により励起子移動が増強する現象を発見したと発表した。バンドエンジニアリングが原子層デバイスにも適用できる可能性を示した。今回の研究成果により、原子レベルで構造が明らかなナノ物質を構成要素とした半導体デバイスへの応用に貢献すると期待されるという。

　共同研究グループは今回、1次元半導体の「カーボンナノチューブ（CNT）」と、2次元半導体の「セレン化タングステン」を用いて異次元ヘテロ構造を作製し、光吸収と発光特性を調べた。

　CNTは、カイラリティと呼ばれる整数（n,m）の値によって、バンドエネルギーが大きく変わる。このため、発光測定を行えば原子配列を同定できる。また、1次元的な直線偏向を吸収することが分かっている。

　これに対し2次元半導体のセレン化タングステンは、ファンデルワールス力と呼ばれる弱い力で、層間が結合されている。バンドエネルギーは層数に依存するが、その変化量は極めて少ないという。直線偏光については、あらゆる方向からの光を等しく吸収することができる。

　ただ、幾何構造を同定したCNTと、特定の層数を持つセレン化タングステンを正確な位置に配置して接合させる技術はこれまで確立されていなかった。

単層CNTの模式図［クリックで拡大］ 出所：理研他

セレン化タングステンの模式図［クリックで拡大］ 出所：理研他

　そこで今回、理研が開発した「アントラセン媒介転写」と呼ぶ手法を用いて、CNTとセレン化タングステンを組み合わせた「異次元ヘテロ構造」を作製した。具体的には、基板上に合成したCNTの位置と幾何構造をデータベース化し、その中から必要なCNTを選定。このCNT上に、層数が分かったセレン化タングステンを転写した。

　作製した異次元ヘテロ構造の光吸収と発光の特性については、フォトルミネッセンス励起分光法を用い評価した。（9,8）CNT上に単層セレン化タングステンを転写した時の分光データを分析したところ、ヘテロ構造を形成する前は、E₂₂と呼ばれる吸収ピークが観測された。転写後には、1.673eVに位置する高エネルギーのピークが現れた。この現象は、セレン化タングステン内で励起されたA励起子（E_A）がカーボンナノチューブへ移動する過程で現れるものだという。

ヘテロ構造の形成前後における分光特性の変化［クリックで拡大］ 出所：理研他

　さらに共同研究グループは、異なる幾何構造のCNTと、二層あるいは三層のセレン化タングステンを用いて作製したヘテロ構造の「発光励起スペクトル」について調べた。この結果、（10,5）のヘテロ構造では強いE_Aピークが観測された。（9,7）と（11,3）のヘテロ構造でもE_Aピークは確認できたものの、（10,5）ほどではなかった。（12,1）では、E_Aピークを観測できなかった。

異次元ヘテロ構造の発光励起スペクトル［クリックで拡大］ 出所：理研他

　CNTは（9,7）（10,5）（11,3）（12,1）という順でバンドエネルギーが大きくなっている。ヘテロ構造において（9,7）（10,5）（11,3）で励起子移動が起きるのは「タイプI」である。これに対し、（12,1）ではそれが抑制されており、これを「タイプII」に分類すれば、実験結果と合致するという。特に、（10,5）のヘテロ構造においてE_A励起ピークが増強されているのは、2つの異なる材料のバンドエネルギーが一致し、共鳴的に励起子移動が起きた結果だと分析している。

異次元ヘテロ構造のレーザー走査像［クリックで拡大］ 出所：理研他

　今回の研究成果は、理化学研究所（理研）開拓研究本部加藤ナノ量子フォトニクス研究室の方楠基礎科学特別研究員（研究当時）、加藤雄一郎主任研究員（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のチームリーダー）、筑波大学数理物質系ナノ構造物性研究室の岡田晋教授、東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻の長汐晃輔教授、慶應義塾大学理工学部物理学科の藤井瞬助教らによるものである。