深紫外線への新しい道
深紫外線範囲での効率的な光生成—約280ナノメートルより短い波長—は半導体フォトニクスの最も困難な問題の一つであった。深紫外線は病原体消毒、水浄化、半導体リソグラフィー、量子情報処理に強力な応用を持っているが、効率的に放射できる材料は限定的で扱いが難しい。Scienceに発表された研究は重大な進展を説明している：六方晶ホウ化窒素（平面的な二次元絶縁体として知られている材料）から形成されたモアレ量子井戸で達成された高効率の深紫外線発光。
この結果は驚くべきものである。六方晶ホウ化窒素（hBN）は幅広いバンドギャップ材料であり、研究者らはUV光を放射できることを知っていたが、効率的で制御可能な放射を実現することは難しいことが判明した。ここでの革新は、モアレ超格子構造の使用である——わずかにずれた2層のhBNを積み重ねることで作成される——従来のバルク材料または単層材料では不可能な方法で光放射を担当する量子状態を閉じ込め、操作する。
モアレエンジニアリングが行うこと
2つの原子厚さのクリスタル層が小さなねじれ角またはネッシング不一致で積み重ねられると、結果として生じる干渉パターンはモアレ超格子を作成する：基本的な原子構造より大きな長さスケールに拡張する原子ポテンシャルの周期的な変調。この超格子はナノスケール量子閉じ込めサイト—人工量子井戸と量子ドット—の配列として機能し、それらを作成するために必要な複雑なnanofabricationが不要である。
モアレエンジニアリングは、2018年に特定のねじれ角で二層grapheneが超伝導体になる可能性があるという発見の後、凝縮物質物理学の変革的な技術として浮上した。その後、研究者らはさまざまな二次元材料に概念を適用し、相関絶縁体状態、強磁性、そして—現在—hBNでの劇的に向上した光放射を含む現象を発見している。
現在の研究では、hBNのモアレ構造は超格子内の特定のサイトでexcitons—結合した電子正孔対—を捕捉するローカライズされた量子井戸状態を作成する。これらの捕捉されたexcitonsは高効率で放射再結合し、深紫外photonsを放射する。モアレ閉じ込めは放射再結合の確率を高め、放射スペクトルを狭くし、以前にhBNで実現されたものより明るくスペクトル的に純粋なUV光を生成する。
深紫外線が追求する価値がある理由
深紫外線スペクトル範囲—約200～280ナノメートル—はDNAとproteinsの吸収ピークと重なり、従来の消毒方法に関連する化学残基なしに、表面、水、空気を滅菌するのに効果的である。COVID-19パンデミックは紫外線消毒技術への商業的関心を更新し、効率的でコンパクトな深紫外線光源の需要が増加した。
アルミニウムガリウム窒化物ベースの現在の深紫外線LED技術は機能的だが効率が限定的であり、複雑な成長条件が必要である。hBNベースのアプローチは、実験室のデモンストレーションから製造可能なデバイスまでスケーリングできれば、効率的な深紫外線光源への様々なアクセス可能なパスを提供することができる。hBNの二次元性質また、柔軟な基板およびシリコンphotonics プラットフォームとの統合との互換性を備えている。
量子フォトニクスアプリケーション
消毒を超えて、UV範囲の単一photon emittersはquantum cryptographyとquantum networkingのための高く求められた資源である。hBNは以前、室温で動作する単一photon emittersのホスト材料として特定されていた—低温動作が必要な他の多くの量子emitterプラットフォームに対する大きな利点。モアレ量子井戸構造はスケーラブルな量子photonic systemsを構築するために価値のあるハイキテ紫外線単一photon emittersの配列への経路を提供することができる。研究は、モアレ物理学と深紫外線フォトニクスの収束を代表し、従来のsemiconductorsが苦労するスペクトル範囲での光放射デバイスのプラットフォームとしてhBNを開く。
この記事はScience（AAAS）によるレポートに基づいています。元の記事を読む。
Originally published on science.org
