サブ5 nmナノギャップで狭線幅電界発光を実現 ― 2次元材料オンチップ量子光源への電気駆動基盤 ―（真島豊教授）

東京科学大学（Science Tokyo）総合研究院 フロンティア材料研究所の真島豊教授と、カリフォルニア大学バークレー校のアリ・ジャビー（Ali Javey）教授らの国際共同研究グループは、単層二セレン化タングステン（WSe₂）をサブ5 nm（5 nm未満。1 nmは10億分の1メートル）のAu/Ptナノギャップ電極に集積し、狭線幅の電界発光を電気的に発生させることに成功しました。

単層WSe₂などの2次元半導体は、低温で鋭い発光線を示す局在発光状態を持つため、量子通信や量子計算、量子計測に向けたオンチップ量子光源として期待されています。しかし、光励起では多数の局在状態を同時に励起するため、発光スペクトルが複雑になりやすいという課題がありました。一方、電気駆動では、複数の2次元材料を精密に積層する方式の作製の複雑さや、広い領域を交流駆動する方式での発光スペクトルの広がりが課題でした。

本研究では、電子線リソグラフィと無電解金めっき（ELGP）により作製したAu/Ptナノギャップに単層WSe₂をドライ転写し、10 MHzの矩形波ゲート電圧で駆動しました。その結果、3.5 K（約マイナス270℃）において1.652 eVを中心とする見かけ線幅1.83 meVの交流エレクトロルミネッセンス（ACEL）ピークを観測しました。素子を光励起した場合には多峰性の発光を示したことから、サブ5 nmナノギャップが電気的にアクセスする局在状態を空間的に絞り込んでいると考えられます。さらに、49個の測定素子の統計評価、広いギャップや絶縁スペーサを用いた対照実験、電界シミュレーション、ひずみモデル解析により、サブ5 nmの幾何学的閉じ込め、局所的な電界増強、曲面電極による局所環境の変調、高速な電圧遷移が、狭線幅ACELの発現に重要であることが分かりました。本成果は、積層構造に頼らず2次元半導体の局在発光状態を電気的に選択駆動する新しい平面型プラットフォームを示すもので、将来の集積型量子フォトニクス素子への展開が期待されます。

本成果は、10月3日付（現地時間）で米国化学会の学術誌「Nano Letters」に掲載されました。