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固有の物性をそのまま維持···3次元グラフェン素子を開発

韓国原子力研とKAIST共同研究チーム···光通信や半導体素子に活用可能


韓国原子力研究院(ハ・ジェジュ院長)は同研究院量子光学研究部のペク・インヒョン博士とKAIST物理学科のイ・サンミン教授共同研究チームがグラフェンで3次元の形態の素子を製造しテラヘルツ波透過率を効率的に制御する技術を開発したと5月15日に発表した。

グラフェンは炭素原子が蜂の巣状に結合して一つの層を構成する2次元物質。電子移動性、強度、熱伝導性などが優れ原子一層が生成する電子の固有なエネルギーバンド構造により広い波長の光を吸収できるため光変調素子の分野でも脚光を浴びている。しかし入射する光の2.3%のみ吸収する特性のせいでグラフェンの光変調能力には限界があった。

グラフェンの光変調能力を向上させるためには光の吸収率を高める必要があり、グラフェン積層の研究が世界的に活発に行われている。しかし2次元物質であるグラフェンをいくつかの層に積み重ねて3次元にするとグラフェンの本来もっている特性が損なわれるという点が難題として残されていた。

代表的な例が黒鉛で、鉛筆の芯の主原料として知られる黒鉛はいくつかの層のグラフェンが自然の状態で結合して3次元形態に存在している物質。黒鉛は積層の過程で隣接する層の間の一定な結晶性によりグラフェン固有のエネルギーバンド構造が歪曲され光変調能力を喪失している。

研究チームは小さなグラフェンのかけらから成るグラフェンを積層すると層間結晶性が消え得るという点に着眼して3次元グラフェン光変調素子を製造した。100㎛(マイクロメートル)の大きさの互いに異なる結晶性をもつ数万個のグラフェンのかけらから成る25㎛の大きさのグラフェンを合成し、これを積層してグラフェン固有のエネルギーバンドを維持する3次元素子を製造した。

研究チームは製造された素子が強力なテラヘルツ波は透過し、弱いテラヘルツ波は吸収する光制御能力が画期的に強化されたものであることを確認した。

韓国原子力研秒高速放射線研究室のチョン・ヨンウク室長は「本研究はグラフェンを対象に進められたが、多様な2次元物質にも同じ原理の適用が可能。次世代光通信、半導体素子の開発に幅広く活用できる技術」と話している。

研究結果は2次元物質分野の国際的学術誌『2D Materials』に掲載された。






[2017-05-17]

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