単層カーボンナノチューブ(SWNT) – 可飽和吸収体として

カーボンナノチューブ(CNT : carbon Nanotube)は炭素原子のみからなり、直径が0.4～50nm、長さがおよそ1～数10µm(人の髪の毛の約1/10000くらいの細さ)の1D構造のナノ材料である。その化学構造は炭素の6員環を蜂の巣のように並べた平面状の物質(2D構造)であるグラファイト層(グラフェン)を丸めてつなぎ合わせたもので表され、層の数が1枚だけのものを単層カーボンナノチューブ(SWNT : Single-Wall carbon Nanotube)と呼び、二層のものをDWNT、多層のものをMWNTと呼ぶ。SWNTの直径は～1.4nm、長さは数μmであり、特有な構造と簡単な構成から非常に興味深い物質である。グラファイト層の巻き方（らせん度）に依存して電子構造が金属的になったり半導体的になったりする。吸収される光の波長は，ナノチューブの直径に依存する。CNTは巻き方によって、アームチェア型(armchair)、カイラル型(chiral)、ジグザグ型(zigzag)に分けられる(図１参照)。これらCNTの分類を示す高品質な画像はWikipediaで確認できる。

図1：カーボンナノチューブの巻き方

可飽和吸収帯としてのSWNT

カーボンナノチューブの回復時間は高速である(～1 ps)。これは、半導体ナノチューブ中での励起状態エネルギーが、非常に速いチューブ間の相互作用によって移動し、金属ナノチューブによって逃がされるためである。また、カーボンナノチューブはその異方性のため、偏光に依存した吸収特性を持つ。 具体的には、CNTの長さ方向では光吸収や発光が起こりやすく、直径方向では光吸収や発光が起こりにくい。

半導体的性質を示すSWNTは、近赤外波長領域(1.2～2.0 μm)に非常に強い光吸収をもつため、光通信波長領域で可飽和吸収体として利用される。この吸収体の波長は，SWNT の直径に依存する。SWNTの代表的な合成方法は，アーク放電法，レーザー蒸着法，化学的気相成長法(CVD法)の3 つである。