| Project Area | Next-Generation Nano-Optics Using Fast Electrons |
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| Project/Area Number |
22H05034
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
斉藤 光 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50735587)
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| Project Period (FY) |
2022-05-20 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥43,030,000 (Direct Cost: ¥33,100,000、Indirect Cost: ¥9,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Fiscal Year 2023: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
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| Keywords | 電子エネルギー損失分光 / ナノフォトニクス / プラズモニクス / 光ー物質相互作用 / 運動量分解分光 / 光－物質相互作用 |
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| Outline of Research at the Start |
デバイス駆動中の状態変化をナノスケールで分光イメージングできる手法が確立されれば、光－物質相互作用の増強を利用した物質機能の活用法がより理解され、電子と光子の両方の長所を上手く活用した新規デバイスの開発・開拓が進展する。本研究課題では、エネルギー分解能が飛躍的に向上した現在の電子エネルギー損失分光(EELS)に運動量分解法を適用し、未だ実現されていない電子状態と光学状態の同時解析を実現する。この新規EELS法により、光プローブでは直接アクセスできない導波路を伝播する非発光モード、さらにデバイス駆動時の物質の光学定数の変化を同時に可視化し、新たなアクティブナノ光学デバイスの創出に繋げる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、蛍光体を内包するプラズモン共振器試料を作製し、その電子状態と光学状態の両方の情報について切り分けて抽出するカソードルミネセンス計測法の開発を進めた。カソードルミネセンスは、回折限界をはるかに超えた高い空間分解能で光源を可視化する強力な計測法であるが、電子線励起に波長選択性がなく、発光の起源が必ずしも明確ではないことがしばしば問題となる。例えば、蛍光体とプラズモン共振器が組み合わさった系では、電子線は避けられず両方を励起してしまうため、プラズモン共振器による蛍光体の発光増強のみを抽出して評価することが困難であった。そこで本年度は、蛍光体中の発光中心の励起が電子線の電流量が増加するにしたがって飽和する現象に着目し、蛍光体の励起とプラズモン共振器の励起を区別したカソードルミネセンスのマッピングを可能にする手法の構築を試みた。結果として蛍光体由来のカソードルミネセンス強度をナノスケールの空間分解能で可視化することに成功した。開発された手法は各モードの場の分布と直接比較できるほどの高空間分解能で発光増強分布を可視化することができる点で高い新規性を有する。可視化された発光増強分布がプラズモンモードの場の分布と類似していたことから、用いた蛍光体－プラズモン共振器システムにおいて、発光中心とプラズモンモードとの間に近接場結合が形成され、パーセル効果によって発光増強が生じていることが示唆された。また、本研究で使用したプラズモン共振器には複数のモードが存在するが、各モードがどの程度発光増強に寄与するかを含めて詳細な解析結果を提供できることもわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はカソードルミネセンスを活用することで、当初計画していた運動量分解型の電子エネルギー損失分光とは別のアプローチではあるが、電子状態と光学状態とを切り分けた解析方法を見い出すことができた。結果として、蛍光体－プラズモン共振器システムにおける電子系と共振器との相互作用をナノスケールで可視化することができ、十分な進捗があったと判断できる。デバイス駆動中の電子状態及び光学状態のダイナミクスの計測へと発展させるには、EELS及びカソードルミネセンスの両方において測定系の整備が必要であったが、本年度はこれを進めることができた。2024年度には、ダイナミクスの計測が実施される見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
蛍光体－プラズモン共振器システムにおける電子系と共振器との相互作用のナノイメージングに成功しており、これをさらにダイナミクスの計測へと推し進める。そのための時間相関検出をベースとした光測定系を導入し、走査透過電子顕微鏡と連動されることでこれを達成する。発光中心をドープした蛍光体だけでなく量子ドットなども対象とし、単一光子源とナノ共振器との相互作用のダイナミクスを計測することにも挑戦する。
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