6Gテラヘルツ帯でのグラフェンのアンテナ化について

Ⅱ- B2　テラヘルツ帯：グラフェンと2次元ナノ材料

グラフェンは、テラヘルツ帯の周波数（広義には100GHzから10THzの間）で動作できるナノアンテナの開発を可能にする。グラフェンは2次元（2D）材料で、19世紀から研究されてきたが、実験的に発見され、特徴が明らかになったのは2004年である。このハニカム結晶格子に配列した炭素原子の1原子厚の層は、数多くのユニークな機械的、電気的、光学的特性を持つ。非常に軽くて曲げやすく、電子移動度が非常に高く、1原子厚であるにもかかわらず、興味深い非線形光学相互作用を示す。ナノネットワーキングに関して言えば、グラフェンの主な特性はSPP波[54]をサポートすることだが、テラヘルツ帯の周波数で、光周波数での金属よりもはるかに高いプラズモン閉じ込め係数（100 を超えることもある）を持つ。その結果、テラヘルツ帯の周波数で動作するサブミクロンのフットプリントを持つプラズモニックアンテナの開発に利用することができる。

グラフェンは2D材料として利用することも、細いグラフェンナノリボン（GNR）に切断することも、 カーボンナノチューブ（CNT）に巻くこともできる。これにより、さまざまな種類のプラズモニックナノアンテナへの道が開かれた。2006年、BurkeたちはプラズモニックナノダイポールアンテナとしてのCNTの利用を初めて提案した[55]。2010年に、JornetとAkyildizは、GNRをナノパッチアンテナとして利用することを提案し、その性能をナノダイポールと比較した[5] 。2012年、Llatserらは、無限大のグラフェンシートの導電性モデルを利用して、グラフェンベースのナノアンテナの特性を研究した[56] 。2013年には、JornetとAkyildizが、 GNRとグラフェンシートの両方をカバーできる新しい導電率モデルを開発し、テラヘルツ帯域でのナノアンテナの性能を解析的に導き出した。これらの研究は、電磁ナノネットワークの基礎となっている。

グラフェンベースのナノアンテナは、設置面積が小さいだけでなく、さらに興味深い特性がある。高度に調整可能なのである。特に、静電バイアスや化学ドーピングによってSPP波の伝播速度を変化させ、プラズモニック波長を効果的に変化させることができる。その結果、アンテナの共振周波数を変えることができ[57]、また固定周波数では、アンテナの位相図と放射図をほぼリアルタイムで変更することができる[58]。さらに、プラズモニックナノアンテナ間の相互結合は、プラズモニック波長によって再び決定され[59]、これは自由空間波長よりもはるかに小さいため、非常に高密度のアンテナアレイが可能になる[60]。これらのアンテナアレイは、ナノマシンの通信範囲を拡大するために活用することも、テラヘルツ帯のマクロスケールアプリケーションの一部として直接活用することもできる[61]。

アンテナに加えて、グラフェンは、シリコン、インジウムガリウムヒ素（InGaAs）、ガリウムヒ素（GaAs）、窒化ガリウム（GaN）などのIII-V半導体材料、および六方晶窒化ホウ素（h-BN）や二硫化モリブデン（MoS2）などの2Dナノ材料と組み合わせて、ナノトランシーバーを構築するためにも活用できる。たとえば、グラフェンは、高電子移動度トランジスタ（HEMT）の2次元電子ガス（2DEG）チャネルとして利用できる。HEMTのソースとドレインの間に非対称境界条件を作成すると、Dyakonov-Shur不安定性によってオンチップテラヘルツSPP波を発生させることができる[62、63]。同じ構造は、オンチップテラヘルツ振幅および周波数変調器としても使用できる[64]。同様に、グラフェンの同調性を利用すれば、固定長プラズモニック導波路をオンチップ位相変調器として利用することができる[65]。ソース、変調器、アンテナをすべて単一のデバイスに統合して共同設計することができる[66]。

サイズの制約が重要ではあるが、それが主な制限要因ではないナノネットワーキングアプリケーションでは、非プラズモニックテラヘルツシステムを採用することができる。いくつかのグループ[67、68、69、70、71、72、73、74、75]は、周波数（300GHz近く）と速度（100Gb/s以上）の面で限界に挑戦しており、高速性が要求される超短距離アプリケーションに適合するように、帯域幅密度（100Gb/s/mm2以上）とビット当たりのエネルギー（1pJ/ビット未満）の改善も目指している。また、グラフェンの高い電荷キャリア移動度と飽和速度を利用して、増幅器、電力検出器、整流器、周波数逓倍器、発振器、ミキサー、受信機などのRF回路を実現することも研究されている[76、77、78]。

グラフェンプラズモニクスに関しては大きな進歩が見られる一方で、そのようなデバイスの実験的開発はまだ初期段階にある。グラフェンやグラフェンベースのヘテロ構造を大規模かつ低コストで製造するために、トップダウンアプローチのフォトリソグラフィーベースの方法からボトムアップアプローチの自己組織化方法まで、さまざまな技術が研究されている[79、80、81]。

デバイス技術に加えて、ナノネットワーキングアプリケーションへのテラヘルツ帯の採用は、さまざまな媒体におけるテラヘルツ波の伝播にも影響される[82、29、83]。たとえば、テラヘルツ信号はシリコン中を非常によく伝搬するため、コンピューティングアプリケーションに採用することができる（[84] 、第III-B節参照 ）。しかし、テラヘルツ波は水をはじめとするほとんどの液体に吸収されるため、ナノネットワークの生物医学的応用に利用することが困難になる可能性がある（[85、86] 、第III-A節を参照 ）。テラヘルツ信号は光信号よりも伝搬性に優れているが[87]、たとえば、伝搬距離が非常に長い場合や、人体を含む生体組織内を伝搬する場合には、さらに低い周波数を採用することが望ましい。