グラフェン、フォトニクス材料としての実用化が進む

ジェフ・ヘクト

グラフェンはその優れた電子的および光学的性質により、透明導電性被膜から可飽和吸収体やプラズモニック素子にいたるまでの実証実験に利用されている。次の課題は、これらの素子を実用化することである。

グラフェンは実に素晴らしい物質である。炭素原子が六角形に配置された原子1個分の厚さのグラフェンは、われわれがごく一般的に目にするグラファイトの基本構成要素である。しかし、実験室で適切に調合した場合、グラフェンは卓越した物理的、電子的、光学的性質を示す。これに対する研究はますます拡大している。学術雑誌「ネイチャー」によると、2011年に発表されたグラフェンに関する論文は4000件を優に超えたという。アメリカ物理学会（American Physical Society）が2012年3月にボストンで開催した学会の650以上のセッションのうち、40件はグラフェンを専門に取り上げたもので、中には満席となったセッションもあった。
　研究者らが最初に関心を抱いたのは、グラフェンの基礎物理学と、エレクトロニクス分野への応用の可能性だった。現在では、タッチスクリーン用の透明導電体や太陽電池の電気接点、可飽和吸収体、変調器、プラズモニック素子といったフォトニクス応用にまで関心の範囲が拡大している。

グラフェンの基礎

グラフェンの各炭素原子は、図1に示すように、隣接する3つの炭素原子とハイブリッド結合を共有して、平面状の六角形格子構造に並んでいる。グラファイトが柔らかい物質であるのは、2次元のシート間の結合が弱いためである。英マンチェスター大学（University of Manchester）のアンドレ・ガイム（Andre Geim）教授とコンスタンチン・ノボセロフ（Konstantin Novoselov）教授は2004 年、数層からなる高品質のグラフェンを分離し、グラフェンシートにグラファイトの塊とはまったく異なる性質があることを発見した。単層のシートは、さらに異なる性質を持つ。
　物理的な性質としては、グラフェンシートの強度はシリコンやスチールよりも何桁も高く、ダイアモンドにほぼ匹敵するほど固い。電子は、グラフェン内で質量を持たないかのように動作し、その移動度はガリウムヒ素よりも何桁も高い（シリコンより2 桁高い）。グラフェンの熱伝導性は、銀の10倍以上にのぼる。このような性質から、多くの研究者が基礎物理学に加えてその応用の可能性を探究しているのも当然といえる。
　グラフェンには、珍しい光学的性質もある。グラフェンには自然なバンドギャップがないため、紫外線（UV）から赤外線（IR）までの光スペクトル全体にわたって吸収が均一となる。この吸収は、1層あたり約2.3% と大きく、原子1個分の厚みを十分に目に見えるようにすることができる。またグラフェンには、可飽和吸収など非線形性の光学的効果もある。物理的および電子的な性質に加えて、このような効果があることから、グラフェンは、多くのフォトニクス応用における魅力的な材料になっていると、英ケンブリッジ大学（University of Cambridge）のアンドレア・フェラーリ（Andrea Ferrari）教授らは、影響力のある「ネイチャー」の2010年の総説で論じている（1）。「これが判明するまで、ほとんどの人々がグラフェンの電子的な性質のみにとらわれていた」とフェラーリ教授は述懐したが、現在では、多くの人々がフォトニクス応用の可能性を探究している。

高強度・透過性・導電性と低兼性

強度、透過性、導電性を併せ持つグラフェンは、広範囲にわたる民生製品に利用できる可能性がある。今日のスマートフォンやタブレットコンピュータには、ITO（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）を用いた透明電極で覆われたタッチスクリーンが採用されている。しかし、ITOには大きな制約がある。インジウムは希少な物質で既に高価だが、需要の増加に伴ってその価格はさらに上昇することが予測されている。また、ITO は脆弱なためにガラスなどの硬い基板が必要であり、したがって、可撓性のあるディスプレイ内や有機LED のようなスクリーン材料上には使用できない。
　単層のグラフェンは、入射光の97%以上を透過し、その透過率はITOの90%をはるかに上回る。また、その強度と柔軟性によって、グラフェンは可撓性のあるスクリーンにも魅力的な材料である。単層のグラフェンの導電性はITOよりも低いが、層を追加すれば、光透過率の低下と引き換えにではあるが、導電性を高めることができる。しかし、グラフェンの最大の利点は、高価な原材料が不要であるという点かもしれない。炭素は豊富に存在するため、効率的な製造によってグラフェンを安価に抑えられる可能性がある。
　透明導電体は、グラフェンの最初の商業的応用になるかもしれないと米コロンビア大学（Columbia University）のトニー・ハインツ教授（Tony Heinz）は述べる。ITOと同じ方法で蒸着することはできないが、開発者らは別の作製プロセスを考案中である。

可飽和吸収とモード同期

実用化が確実に進められているグラフェンのもう1 つの光学的性質は、カーボンナノチューブにも見られる、その顕著な3次非線形性である。3次非線形性に起因する可飽和吸収と受動モード同期は、2003年にナノチューブにおいて初めて報告され、2009年にグラフェンにおいて初めて観測された。
　後から考えれば、それは驚くべきことではない。ナノチューブは、基本的にグラフェンを巻いたシートであるとみなされる場合もあるからだ。しかし当時は、多くの研究者がこれに驚いた。東京大学の山下真司教授も、グラフェンの非線形性に関するチュートリアルでこれについて記している（2）。同氏を含む複数の研究者が、ナノチューブにおける高速な可飽和吸収は、その珍しい1次元構造によるものであると推測していた。しかし同氏は、「この性質が発見されたことで、グラフェンの有望性はさらに高まったと考えられる（中略）その光吸収は波長に依存しないためである」と記している。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2012/07/201207_0036pf.pdf