平成 27 年 8 月 6 日
報道機関各位
東京工業大学
科学技術振興機構(JST)
ゲルマニウム導入し光るダイヤを開発
-バイオマーカーや量子暗号通信への応用へ期待-
【要点】
○ダイヤモンド中の空孔とゲルマニウムの新しい単一カラーセンターを作製
○プラズマ化学堆積法を使用し高品質ゲルマニウム-空孔センターを形成
○生細胞イメージング用のバイオマーカーや量子暗号通信への応用を期待
【概要】
東京工業大学大学院理工学研究科の岩崎孝之助教と波多野睦子教授らの研究グ
ループは、ダイヤモンド中の空孔(V、用語1)とゲルマニウム(Ge)からなる新し
いカラーセンターの形成に世界で初めて成功した。
ダイヤモンド中にゲルマニウムを導入することによって、ゲルマニウムと格子欠陥
(空孔)が結びつき、室温・大気中で安定して発光することを見いだした。アンサ
ンブル状態(カラーセンターが多く含まれている状態)だけでなく、ゲルマニウム
原子 1 個と空孔の組合せからなる単一カラーセンター(用語2)も安定して形成で
きることを確認した。さらに、マイクロ波プラズマ化学堆積法(用語3)を使用し、
発光波長の均一性に優れた高品質アンサンブル GeV センターを作り出すことにも
成功した。生細胞イメージング用のバイオマーカー(用語4)や量子暗号通信(用
語5)への応用が期待でき、さらに高感度センサーとしての可能性も有している。
研究成果は 8 月 7 日に、英国ネイチャー出版グループのオンラインジャーナル
「Scientific Reports」に公開される予定です。
●研究の背景
ダイヤモンド中のカラーセンターは、ホスト材料であるダイヤモンドの高い
生体適合性、退色しない安定した発光、室温での単一光子放出などの特長を有す
ることから、生細胞イメージング用のバイオマーカー、量子暗号通信、高感度セ
ンサーなどの応用に向けて世界中で研究が活発に進められている。これらの応
用には強く発光し、かつ形成を制御しやすいカラーセンターが求められている。
様々な応用を実現するためには、アンサンブル状態および単一(ひとつのカラー
センターが孤立している状態)の両方を形成することが重要である。発光が強い
アンサンブルカラーセンターはバイオマーカーやセンサー応用に適しており、単
一光子源として機能する単一カラーセンターは量子暗号通信への応用が期待で
きる。
これまでに、ダイヤモンド中のカラーセンターにおいて窒素(N)‐空孔の NV セ
ンターとシリコン(Si)‐空孔の SiV センターだけが単一状態を示し、かつ再現性
良く形成されていた。しかし、NV センターは主要な発光波長であるゼロフォノ
ンライン(ZPL、用語6)での強度が小さく、SiV センターは合成装置中の不純物
から取り込まれやすく形成が制御しづらいという問題があった。
●研究成果
東工大の岩崎助教と波多野教授らは、ダイヤモンド中にゲルマニウムを導入
することにより、ゲルマニウムと空孔からなる GeV センターを形成した。GeV セ
ンターは、外部からの光励起により波長 602 ナノメートル(nm)で強い発光を示
し(図1)、高い再現性で形成できることを確認した。アンサンブル状態だけで
なく、単一の状態でも安定したカラーセンターとして機能させることに成功し
た。
2 次自己相関関数測定(用語7)から、単一 GeV センターが単一光子源として
働くことを証明し(図1)、飽和発光強度(用語8)として 170 kcps という高
い値が得られた。励起波長の最適化により、GeV センターの発光強度をさらに上
昇させることができ、再現性良く形成できるダイヤモンド中のカラーセンター
のうちで最も高輝度な構造となる可能性がある。第一原理計算により、ゲルマ
ニウム原子は炭素原子が存在する格子位置ではなく、格子と格子の間に存在し
ていることを明らかにした(図1)。
イオン注入法(用語9)を用いると、ダイヤモンド自体にダメージを与えてし
まい、GeV センターの発光波長がばらついてしまうことが観測された。一方、マ
イクロ波プラズマ化学堆積法を用いると、より鋭く発光波長の均一性に優れたア
ンサンブル GeV センターを作り出すことにも成功した(図2)。SiV センターは
マイクロ波プラズマ化学堆積装置中の真空チャンバ-(容器)部品などから容易
にダイヤモンド中に取り込まれてしまうが、GeV センターはより制御しやすく、
拡張性が高い発光源として利用される可能性を有している。
図1
図2
ダイヤモンド中の単一 GeV カラーセンターの構造と性質
マイクロ波プラズマ堆積法による高品質アンサンブル GeV カラーセンタ
ーの形成
●今後の展開
ダイヤモンド中の GeV センターは炭素とゲルマニウムからなる新しい原子レベ
ルサイズの機能性構造であり、ダイヤモンドの特長である高い生体適合性を有
する。さらに、発光強度が大きいことから、ナノダイヤモンド中への GeV センタ
ーの形成により、細胞内で退色しない安定な高輝度マーカーとして機能し、生
体機能の解明や細胞レベルでの新しい診断技術につながる。さらに、均一な発
光波長の単一 GeV カラーセンターによって、量子暗号通信用光源への応用が期待
される。
【用語説明】
(1)空孔:固体結晶において、本来あるべき原子が抜けて孔となっている格子
位置のこと。ダイヤモンドの場合は、炭素原子が格子位置からはずれることで空
孔が発生する。空孔の V はベーカンシー(Vacancy)の頭文字。
(2)カラーセンター:ダイヤモンドなどの固体物質中に形成される欠陥構造で、
光の吸収や外部励起による発光を示す。欠陥構造が孤立して存在し、単一光子源
として機能するものを単一カラーセンターと呼ぶ。それに対して、光の回折限界
以下の距離に単一カラーセンターが密集した状態をアンサンブルと呼ぶ。
(3)マイクロ波プラズマ化学堆積法:原料(今回の場合はメタンガス、水素ガ
ス、ゲルマニウム小片)をマイクロ波プラズマで分解することによって材料を作
製する手法。
(4)バイオマーカー:個々のタンパク質や細胞内部の機能を計測するためのナ
ノサイズのマーカー。複数のマーカーにより細胞内部のイメージングが可能。
(5)量子暗号通信:量子状態の特性を利用した通信技術で、外部からの盗聴に
対して完全に安全な通信を可能とする技術。
(6)ゼロフォノンライン(ZPL)
:発光においてフォノンの遷移を伴わないもの。
(7)2 次自己相関関数:発光源の時間コヒーレンスを調べる方法。遅延時間()
が 0 のときに、値が 0.5 以下になる場合に発光源が単一光子を発生していること
がわかる。
(8)飽和発光強度:単一カラーセンターの最大の発光強度。単位の kcps はキ
ロ・カウント・パー・セコンド(1秒間のカウント数)
(9)イオン注入法:イオンを加速することによって固体中に導入する手法。
『本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構の CREST・研究領域「素材・
デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロ ニクスの創成」(炭素系ナ
ノエレクトロニクスに基づく革新的な生体磁気計測システムの創出)の支援を受
けて行われた。また今回掲載された「Scientific Reports」は、
大阪大学、産業技術総合研究所、滋賀医科大学、ドイツウルム大学の
共著論文である。』
【問い合わせ先】
東京工業大学 大学院理工学研究科 電子物理工学専攻 岩崎孝之助教、波多
野睦子教授
E-mail: [email protected], [email protected]
TEL: 03-5734-3999 FAX: 03-5734-3999
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古川 雅士(フルカワ マサシ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部
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