酸化グラフェン: 赤外光に応答する

2013年11月25日

酸化グラフェンの原子構造と欠陥の数を制御することによって、高効率赤外光検出器を作製できる

酸化グラフェンの透過電子顕微鏡像。非常に無秩序な領域(黄色い線で囲まれた部分)と非常に秩序正しい領域(青い線で囲まれた部分)が大きく広がっている。
酸化グラフェンの透過電子顕微鏡像。非常に無秩序な領域(黄色い線で囲まれた部分)と非常に秩序正しい領域(青い線で囲まれた部分)が大きく広がっている。

© 2013 American Chemical Society(参考文献1)より許可を得て複製

光検出器、とりわけ電磁スペクトルの赤外領域の光を検知する検出器は、光通信や画像化装置に使用される重要なデバイスであり、光励起によって発生した負電荷(電子)と正電荷(正孔)が分離されることにより電流が流れる仕組みになっている。グラフェンは、その並外れた電子物性や一部のフォトニクス部品の基盤としてよく知られた物質である。しかし、グラフェンの光励起によって発生した電子と正孔はすぐに再結合してしまうため、1ワットの入射放射光から発生しうる光電流の量が非常に少なく、光応答性は非常に低い。このことが、グラフェン系光検出器の作製を困難にしていた。

このたび、東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)のHaixin Chang助教、Hongkai Wu准教授、Mingwei Chen(陳明偉)教授、幾原雄一教授らは、香港の共同研究者らとともに、グラフェン関連物質である酸化グラフェンの構造と欠陥の数を制御することによって、酸化グラフェンの赤外光応答性を向上できる可能性があることを実証した1

研究チームはまず、数層の酸化グラフェンを熱アニールによって還元し、その電子特性を向上させた。次に、透過電子顕微鏡法とX線光電子分光法を用いて、元の酸化グラフェンと還元型酸化グラフェンに見られる欠陥の構造と種類を調べた。元の酸化グラフェンでは、非常に秩序正しい格子領域と無秩序な格子領域がそれぞれ大きく広がっていたが(図参照)、熱アニール処理することによりこれらの領域はともに小さくなり、酸素含有基の性質も変化した。

その結果、熱アニールによる構造変化を、数層の酸化グラフェンの光応答性の変化と直接関係付けることができた。熱アニールした還元型酸化グラフェンに赤外光を照射すると光電流信号が検出され、その信号はアニール時間とともに大きくなった。これは、元の酸化グラフェンでは検出できなかったものである。

次に、研究チームは、数層の還元型酸化グラフェンを用いてフレキシブルな赤外光検出器を作製し、その光応答性が純粋なグラフェンで作製したものよりも1桁以上高いことを見いだした。外部量子効率(外部バイアス下で光子1個によって生成する電子と正孔の個数の尺度)は97%に達し、グラフェン系赤外光検出器のなかで最高レベルの値を示した。さらに、この検出器は非常に安定であり、曲げ試験を1,000回行った後でも光応答を維持したことも確認した。

Chang助教によると、これらの研究結果は、グラフェン系およびその他の2次元システムの光電子特性を制御する新しい手段につながる可能性があるという。しかし、還元型酸化グラフェンの光応答は非常に遅いため、研究チームは現在、応答時間を改善しようと研究を続けている。「私たちは、欠陥と原子構造を最適化することによって、光応答性をさらに向上させることができると考えています」とChang助教は言う。

References

  1. Chang, H., Sun, Z., Saito, M., Yuan, Q., Zhang, H., Li, J., Wang, Z., Fujita, T., Ding, F., Zheng, Z. et al. Regulating infrared photoresponses in reduced graphene oxide phototransistors by defect and atomic structure control. ACS Nano 7, 6310–6320 (2013). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。