Kato Group, Nanoscale Quantum Photonics...
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開拓研究本部 加藤ナノ量子フォトニクス研究室 理化学研究所 Quantum Optoelectronics Research Team, RIKEN Center for Advanced Photonics カーボンナノチューブ・オプトエレクトロニクス Carbon nanotube optoelectronics カーボンナノチューブの光物性 Optical properties of carbon nanotubes カーボンナノチューブ・フォトニクス Carbon nanotube photonics 1100 1200 1300 1400 1500 0 50 100 150 PL intensity (arb. units) Emission wavelength (nm) with SWCNTs without SWCNTs フォトニック結晶共振器による発光増強 Emission enhancement by photonic crystal cavities Appl. Phys. Lett. 101, 141124 (2012). PL (counts/s) 0 100 50 2 µm 1395 nm 2 µm 1μm λex = 857 nm (resonant) WGM PL (counts/s) 0 100 150 50 2 µm λex = 857 nm (resonant) CNT PL (counts/s) 0 100 200 2 µm 1420 1430 1440 Emission wavelength (nm) 40 0 80 Photoluminescence (counts/s) Data WGM peak CNT peak 微小ディスク共振器との光結合 Optical coupling to microdisk resonators Appl. Phys. Lett. 102, 161102 (2013). Catalyst CNT Nanobeam 2 μm CNT PL intensity (nm) Emission wavelength(nm) data CNT Cavity 10 0 20 30 0 500 1000 1500 1360 1380 1400 P = 120 μW λex = 799 nm Fit data Fit ナノビーム共振器との高効率結合 Efficient coupling to nanobeam cavities Nat. Commun. 5, 5580 (2014). 0 I PL (a.u) 500 1000 1500 2000 time (μs) 0 2 4 6 V g Vb Va Contact to gate Contact to CNT Catalyst Local gate CNT ゲート電圧による光パルス列生成 Gate‐voltage generated optical pulse trains Nat. Commun. 6, 6335 (2015). θ x y z CNT Si substrate Objective lens PL 1100 1200 1300 1400 0 1 2 3 4 PL intensity (arb. units) Emission wavelength (nm) RCP LCP ex = 780 nm P = 26 mW (9,7) CNT Si -180 -90 0 90 180 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 1280 1300 1280 1300 0.0 0.3 0.6 0.9 0 1 2 I RCP , I LCP (arb. units) Emission wavelength (nm) LCP RCP RCP LCP Angle of incidence (degrees) PL intensity (arb. units) 外因性キラリティによる巨大円二色性 Giant circular dichroism induced by extrinsic chirality Phys. Rev. X 4, 011005 (2014). 10 1 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 -2 -1 0 1 2 Gate Voltage (V) Emission Energy (eV) (10,6) PL Intensity (arb. units) 発光のゲート制御 Gate control of photoluminescence Phys. Rev. B 84, 121409(R) (2011). 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 200 400 600 800 PL intensity (arb. units) Nanotube length (m) L = 610 nm 励起子拡散長の計測 Exciton diffusion length Phys. Rev. Lett. 104, 247402 (2010). PL excitation spectroscopy Emission energy (eV) 0.8 0.9 1.1 1.0 1.55 1.60 1.65 1.70 Excitation energy (eV) 1.2 Emission intensity (a.u.) 0 5 10 15 20 1100 1200 1300 1400 1500 0 1000 2000 3000 4000 5000 counts/sec emission wavelength (nm) Nanotube 2 µm 1 µm SEM image Si 2 µm PL images 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 炭素源 CNTの合成 Pressure Gauge Pressure Gauge Pressure Gauge MFC MFC MFC: Mass Flow Controller 圧力調整 炭素源 バブリング用アルゴン 触媒金属の還元 化学気相成長装置 Chemical vapor deposition Reflectivity (arb. units) 5 3 1 PC (nA) 2 1 励起子解離の光電流検出 Photocurrent detection of exciton dissociation Phys. Rev. Lett. 112, 117401 (2014). PL (arb. units) 8 6 4 0 2 1μm a 2 a 1 C=na 1 +ma 2 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 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 直径はナノ、長さはミクロン Dimeter of ~1 nm, length > microns 単層カーボンナノチューブ Single‐walled carbon nanotubes 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 励起子ー励起子消滅における一次元効果 Exciton‐exciton annihilation Phys. Rev. B 91, 125427 (2015). • Simulations Generation rate Intrinsic decay rate Γ 10 ‐1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 1 10 0 10 ‐1 10 ‐2 10 ‐3 10 ‐2 10 5 10 2 Linear ∝ Sublinear ∝ య ◦ Measurements 10 ‐2 Excitation power (μW) PL intensity (arb. units) 10 ‐1 10 0 10 1 10 2 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 4 10 5 10 3 10 6 (8,7) = 1.17 μm Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, RIKEN ゲート電圧によるトリオン生成 Gate‐voltage induced trions Phys. Rev. B 93, 041402(R) (2016). 0.8 0.9 1.0 -2 -1 0 1 2 Gate voltage (V) Emission energy (eV) 10 1 10 2 10 3 10 4 PL (counts s -1 ) T + T - K X − − + + + − http://katogroup.riken.jp/ 冷たい励起子の電界発光 Cold exciton electroluminescence Appl. Phys. Lett. 110, 191101 (2017). Bias VDS Gate1 VG1 Gate2 VG2 0 5 10 15 EL (counts/s) 1200 1300 1400 1500 0 500 1000 PL (counts/s) Wavelength (nm) EL PL P =5 W λex = 836 nm VG1=VG2=0V VDS=0V VG1 = +16 V VG2 = −16 V VDS = 5V 光双安定性と光メモリ Optical bistability and optical memory ACS Photonics 5, 559 (2018). Set Bias Reset Adsorbed molecules Nanotube P t 1.00 1.05 500 700 900 1.00 1.05 0 Excitation power (μW) Normalized PL 1 Emission energy (eV) 室温における単一光子発生 Room‐temperature single photon emission Phys. Rev. Applied 8, 054039 (2017). ‐80 Time (ns) ‐60 ‐40 ‐20 80 60 40 20 0 Count rate (hour ‐1 ) 0 30 20 10 フォトニック結晶共振器における双共鳴 Double resonance in photonic crystal nanocavities Phys. Rev. Applied 3, 014006 (2015). Emission wavelength (nm) 1000 1100 1200 1050 1150 Excitation wavelength (nm) 900 800 700 750 850 a = 270 nm, L2 a = 290 nm, L1 a = 380 nm, L3 a = 300 nm, L5 PL (arb. units) 1.0 0.0 0.5 暗い励起子準位の電界活性化 Electrical activation of dark excitonic states Nano Lett. 16, 2278 (2016). 300 200 0 100 Photocurrent (pA) Excitation energy (eV) 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 0 5.0 7.5 2.5 Electric field (V/μm) 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) 分光により (n,m) の同定が可能 Spectroscopic determination of (n,m) possible Laser heating シュタルク効果 Spectral tuning by Stark effect Appl. Phys. Lett. 105, 161104 (2014). PL (arb. units) 10 5 0 0.91 0.92 0.93 0.94 Emission energy (eV) Electric field (V/m) 0 15 10 5 ナノビーム共振器との光結合制御 Spectral tuning of optical coupling Appl. Phys. Lett. 112, 021101 (2018). DOC (6,5) MeO‐Dz Si SiO2 Si SiO2 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 Phys. Rev. Applied 8, 054039 (2017). 0.8 0.9 1.0 1.1 10 0 10 1 10 2 10 3 PL intensity (a.u.) Emission energy (eV) Vg=−1.5 V ଵଵ 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 Appl. Phys. Lett. 113, 121105 (2018). 有機分子による多体効果制御 Organic molecular effects on many‐body interactions J. Phys. Chem. C 123, 5776 (2019). Excitation energy (eV) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.4 1.5 1.6 1.7 1.4 1.5 1.6 1.7 5000 10000 PL (counts/s) PL (counts/s) 0 250 500 0 Emission energy (eV)
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開拓研究本部 加藤ナノ量子フォトニクス研究室理化学研究所
Quantum Optoelectronics Research Team, RIKEN Center for Advanced Photonics
カーボンナノチューブ・オプトエレクトロニクスCarbon nanotube optoelectronics
カーボンナノチューブの光物性Optical properties of carbon nanotubes
カーボンナノチューブ・フォトニクスCarbon nanotube photonics
1100 1200 1300 1400 15000
50
100
150
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
Emission wavelength (nm)
with SWCNTs without SWCNTs
フォトニック結晶共振器による発光増強Emission enhancement by photonic crystal cavities
Appl. Phys. Lett. 101, 141124 (2012).
PL (counts/s)0 10050
2 µm
1395 nm
2 µm
1μm
λex = 857 nm(resonant)WGM
PL (counts/s)0 100 15050
2 µm
λex = 857 nm(resonant)CNT
PL (counts/s)0 100 200
2 µm
1420 1430 1440Emission wavelength (nm)
40
0
80
Pho
tolu
min
esce
nce
(cou
nts/
s)
Data
WGM peakCNT peak
微小ディスク共振器との光結合Optical coupling to microdisk resonators
Appl. Phys. Lett. 102, 161102 (2013).
Catalyst
CNT
Nanobeam
2 μm
CNT
PL
inte
nsity
(nm
)
Emission wavelength(nm)
dataCNTCavity
10
0
20
30
0
500
1000
1500
1360 1380 1400
P = 120 μWλex = 799 nm
Fit
dataFit
ナノビーム共振器との高効率結合Efficient coupling to nanobeam cavities
Nat. Commun. 5, 5580 (2014).
0
I PL
(a.u
)
500 1000 1500 2000time (μs)
0
24
6
Vg
Vb
Va
Contact to gate
Contact to CNT
Catalyst
Local gate
CNT
ゲート電圧による光パルス列生成Gate‐voltage generated optical pulse trains
Nat. Commun. 6, 6335 (2015).
θ
x
y
z
CNTSi substrate
Objectivelens
PL
1100 1200 1300 1400
0
1
2
3
4
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
Emission wavelength (nm)
RCP LCP
ex = 780 nmP = 26 mW
(9,7)CNT
Si
-180 -90 0 90 180
-0.6-0.30.00.30.6
12801300
12801300
0.0
0.3
0.6
0.9
0 1 2
I R
CP, I
LC
P
(arb
. uni
ts)
Em
issi
on
wa
vele
ngth
(nm
)
LCP
RCP
RCPLCP
Angle of incidence (degrees)
PL intensity (arb. units)
外因性キラリティによる巨大円二色性Giant circular dichroism induced by extrinsic chirality
Phys. Rev. X 4, 011005 (2014).
10
1
0.8 0.9 1.0 1.1 1.2-2
-1
0
1
2
Ga
te V
olta
ge (
V)
Emission Energy (eV)
(10,6)
PL In
tensity (arb
. units)
発光のゲート制御Gate control of photoluminescence
Phys. Rev. B 84, 121409(R) (2011).
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
200
400
600
800
PL
inte
nsi
ty (
arb
. un
its)
Nanotube length (m)
L = 610 nm
励起子拡散長の計測Exciton diffusion length
Phys. Rev. Lett. 104, 247402 (2010).
PL excitation spectroscopy
Emission energy (eV)0.8 0.9 1.11.0
1.55
1.60
1.65
1.70
Exc
itatio
n en
ergy
(eV
)
1.2
Em
issi
on in
tens
ity (
a.u.
)
0
5
10
15
20
1100 1200 1300 1400 15000
1000
2000
3000
4000
5000
cou
nts/
sec
emission wavelength (nm)
Nanotube
2 µm1 µm
SEM image Si
2 µm
PL images
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
炭素源
CNTの合成
PressureGauge
PressureGauge
PressureGauge
MFC
MFCMFC: Mass Flow Controller
圧力調整
炭素源
バブリング用アルゴン
触媒金属の還元
化学気相成長装置Chemical vapor deposition
Reflectivity (arb. u
nits)5
3
1
PC (nA)2
1
励起子解離の光電流検出Photocurrent detection of exciton dissociation
Phys. Rev. Lett. 112, 117401 (2014).
PL (arb. u
nits)
8
6
4
0
21μm
a2
a1
C=na1+ma2
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
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
直径はナノ、長さはミクロンDimeter of ~1 nm, length > microns
単層カーボンナノチューブSingle‐walled carbon nanotubes
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
励起子ー励起子消滅における一次元効果Exciton‐exciton annihilation
Phys. Rev. B 91, 125427 (2015).
• Simulations
Generation rate 𝑔 𝜏
Intrinsic decay rate Γ𝜏
10‐1 100 101 102 103 104
101
100
10‐1
10‐2
10‐3
10‐2 105
102
Linear𝑃𝐿 ∝ 𝑃
Sublinear
𝑃𝐿 ∝ 𝑃
◦ Measurements
10‐2
Excitation power 𝑃 (μW)
PL intensity
(arb. u
nits)
10‐1 100 101 102
105
104
103
102
101104 105103
106(8,7)𝐿 = 1.17 μm
Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, RIKEN
ゲート電圧によるトリオン生成Gate‐voltage induced trionsPhys. Rev. B 93, 041402(R) (2016).
0.8 0.9 1.0-2
-1
0
1
2
Gat
e vo
ltag
e (V
)
Emission energy (eV)
101
102
103
104
PL
(cou
nts
s-1)
T+
T-
KX
−−+
++−
http://katogroup.riken.jp/
冷たい励起子の電界発光Cold exciton electroluminescence
Appl. Phys. Lett. 110, 191101 (2017).
BiasVDSGate1
VG1 Gate2VG2
0
5
10
15
EL
(co
unt
s/s)
1200 1300 1400 1500
0
500
1000
PL
(co
unts
/s)
Wavelength (nm)
EL
PL P = 5 Wλex = 836 nmVG1=VG2= 0 VVDS= 0 V
VG1 = +16 VVG2 = −16 VVDS = 5 V
光双安定性と光メモリOptical bistability and optical memory
ACS Photonics 5, 559 (2018).
Set
BiasReset
Adsorbed molecules
Nanotube
P
t
1.00
1.05
500 700 9001.00
1.05
0
Excitation power (μW)
Normalized PL1
Em
issi
on
ener
gy (
eV)
室温における単一光子発生Room‐temperature single
photon emissionPhys. Rev. Applied 8, 054039 (2017).
‐80Time (ns)
‐60 ‐40 ‐20 806040200
Count rate (h
our‐1)
0
30
20
10
フォトニック結晶共振器における双共鳴Double resonance in photonic crystal nanocavities
Phys. Rev. Applied 3, 014006 (2015).
Emission wavelength (nm)1000 1100 12001050 1150
Exc
itatio
n w
ave
leng
th (n
m)
900
800
700
750
850
a = 270 nm, L2
a = 290 nm, L1
a = 380 nm, L3
a = 300 nm, L5
PL (arb. units)1.00.0 0.5
暗い励起子準位の電界活性化Electrical activation of dark
excitonic statesNano Lett. 16, 2278 (2016).
300
200
0
100
Pho
tocu
rren
t (p
A)
Excitation energy (eV)1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
0
5.0
7.5
2.5
Ele
ctric
fiel
d (V
/μm
)
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)
分光により (n,m) の同定が可能Spectroscopic determination of (n,m) possible
Laser heating
シュタルク効果Spectral tuning by Stark effectAppl. Phys. Lett. 105, 161104 (2014).
PL (arb. units)1050
0.91 0.92 0.93 0.94Emission energy (eV)
Electric field (V/m)
0
15
10
5
ナノビーム共振器との光結合制御Spectral tuning of optical coupling
Appl. Phys. Lett. 112, 021101 (2018).
DOC (6,5)MeO‐Dz
SiSiO2
Si
SiO2
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 microcavitiesPhys. Rev. Applied 8, 054039 (2017).
0.8 0.9 1.0 1.1100
101
102
103
PL in
tens
ity (
a.u.
)
Emission energy (eV)
Vg=−1.5 V𝑇
𝐸
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 interactionsAppl. Phys. Lett. 113, 121105 (2018).
有機分子による多体効果制御Organic molecular effects on
many‐body interactionsJ. Phys. Chem. C 123, 5776 (2019).
Exc
itatio
n en
ergy
(eV
)
0.8 0.9 1.0 1.1
1.4
1.5
1.6
1.7
1.4
1.5
1.6
1.7
5000
10000
PL (counts/s)
PL (counts/s)
0
250
500
0
Emission energy (eV)
![Title [研究活動]科学研究費 Citation 2005年(平成17 …5.5 科学研究費a. 研究課題b. 研究代表者c. 金額 (1) 学術創成研究費 a. 宇宙天気予報の基礎研究](https://static.fdocuments.net/doc/165x107/5fdd7e42c5a07c25f15ad1be/title-ccccce-citation-200517-55-cccea.jpg)
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