ナノ光科学研究分野

エネルギー機能変換研究部門 ナノ光科学研究分野
教授:松田 一成 准教授:宮内 雄平 特定助教:篠北 啓介 特定助教:西原 大志
ナノサイエンスに立脚した光科学の学理追究とエネルギー応用を目的として、物性物理・物質科学・デバイス工学を基盤とした研究を進めています。

ナノサイエンスによる新しい光科学の開拓

 将来の光エネルギー応用に向けて従来の延長線上にはない「極限ナノ物質」、「量子光物性」、「デバイス機能」などの要素を取り入れながら、極限ナノ物質を対象にそこで発現する特異な量子光学現象とその背景にある物理の理解を通して、高効率な太陽電池の実現など新しい光科学やエネルギー科学の地平を目指し、次のような研究を行っています。

元素や電離状態によってかわるプラズマのスペクトル像

簡易な分光フィルムを通して肉眼で観測しても水素プラズマ(H2)とヘリウムプラズマ(He)とのスペクトルの違いがよくわかります。高感度・高分解能分光器により得られるプラズマの情報は膨大です。

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1)ナノ物質の光物性解明と光機能応用

 ナノサイズの物質(ナノ物質)においては、顕著な量子効果によりマクロな物質には見られない特異な物性・機能が発現します。私たちは、極限的なナノ物質であるカーボンナノチューブやグラフェン、原子層半導体などの光物性・光機能に着目し、それらの解明と工学応用に関する研究を行っています。具体的には、単一ナノ物質レベルでの各種先端分光計測技術を駆使して、ナノ物質それ自体の熱・光物性の解明、ナノ物質の複合化により誘起される創発物性の探索、さらにそれらを効率の良い光電変換技術や、エネルギー消費のとても少ない情報処理技術、医療や生物学研究に役立つ新しい観察手法などの実現につなげていくための学理の開拓を進めています。

光学実験風景

(a)、人工的に局在状態を導入したカーボンナノチューブにおける励起子ダイナミクス制御の模式図(b)、カーボンナノチューブのアンサンブル試料のアップコンバージョン発光画像(c)、入射光と発光波長の関係(d 上段)、単一ナノチューブの顕微発光画像(d 下段)、(e)単一カーボンナノチューブのストークス発光とアップコン
バージョン発光スペクトルの比較。

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2)原子層物質における超高速現象の解明

 炭素一層からなるグラフェンをはじめとする原子層物質は特異な量子状態を示すことから、従来の半導体では達成が困難な新規な機能性や応用が期待されています。我々はこれまで、スピン自由度と波数空間でのバレー自由度(バレー擬スピン)が結合した原子層物質である二次元遷移金属ダイカルコゲナイド(MX2; M=Mo, W, X=S, Se, Te)において、フェムト秒レーザーを用いた超高速分光手法を軸に実験的側面からの研究を進めてきました。具体的には、電子正孔対(励起子)や荷電励起子
の超高速生成緩和メカニズムの解明に加えて、電界効果トランジスタ構造を用いて光学特性の制御を達成しました。現在は、二次元遷移金属ダイカルコゲナイドにおけるバレー擬スピン現象の解明およびその制御を目指して研究を進めています。

フェムト秒レーザーを用いた超高速分光実験装置(a)、原子層物質の超高速キャリアダイナミクス(b)

高繰り返しフェムト秒レーザーを基に構築した実験装置を駆使することで、数百フェムト秒の時間分解能で原子層物質からの微弱な光学応答を測定することができます。右図が実際に超高速分光システムを使って測定した二次元遷移金属ダイカルコゲナイドMoSe2の超高速光学応答です。電子(e)と正孔(h)からなる励起子と荷電励起子の生成および緩和ダイナミクス等のさまざまなダイナミクスを観測することができます。

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