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Ultra-high resolution near-field optical microscopy using force detection and mechanism of atomic resolution observation of organic molecules

Research Project

Project/Area Number 20K21128
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

Sugawara Yasuhiro  大阪大学, 工学研究科, 教授 (40206404)

Project Period (FY) 2020-07-30 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Keywords近接場光学顕微鏡
Outline of Research at the Start

本研究では、力検出を用いた近接場光学顕微鏡に使用されている様々な構成要素(例えば、変位検出センサーや周波数変調回路など)の超低ノイズ化を実現し、この近接場光学顕微鏡のさらなる超高感度化・超高分解能化に挑戦する。
原子レベルでの物質と光との相互作用は、これまでほとんど研究されていない。本研究では、原子分解能を有する光学顕微鏡を開発し、その画像化機構を解明するという、これまで誰も成し得なかった究極の高い目標に挑戦する。ここでは、特に、様々な光の波長に対して、有機分子の分子軌道(σ軌道やπ軌道)がどのように画像化されるかに着目し、検討する。

Outline of Final Research Achievements

We theoretically and experimentally investigated the factors limiting the high-resolution measurement of evanescent light, and determined the conditions for high-resolution measurement of evanescent light as force. In order to measure evanescent light as a force with high sensitivity and resolution, various components of the near-field optical microscope were made low-noise. Furthermore, as the sample surface, we used bilayers of pentacene molecules adsorbed on a silver surface, which is easily obtained as an atomically clean and flat surface, and successfully observed the distribution of the evanescent light with nanometer spatial resolution.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

原子レベルでの物質と光との相互作用に関する科学は、学術的研究課題の宝庫である。本研究の成功により、従来の常識を覆す新しい物理現象や機能を発見できる可能性が高い。このような発見は、新しい概念に基づく新材料や新デバイスの創製につながると期待される。その結果、光触媒に対しては、反応機構の解明と高効率化・高機能化が実現されると期待される。また太陽電池に対しては、色素増感効果の詳細が解明され、それを利用した高効率太陽電池の開発が期待される。さらに、このような革新的な研究手法の出現は、光物性研究の仕方を質的に変える可能性がある。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 7 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Optical force mapping at the single-nanometre scale2021

    • Author(s)
      J. Yamanishi, H. Yamane, Y. Naitoh, Y. J. Li, N. Yokoshi, T. Kameyama, S. Koyama, T. Torimoto, H. Ishihara, Y. Sugawara
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 3865-3865

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24136-2

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Theoretical Analysis of Optically Selective Imaging in Photoinduced Force Microscopy2020

    • Author(s)
      Hidemasa Yamane, Junsuke Yamanishi, Nobuhiko Yokoshi, Yasuhiro Sugawara, and Hajime Ishihara
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 28 Issue: 23 Pages: 34787-34803

    • DOI

      10.1364/oe.409986

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ケルビンプローブ力顕微鏡と光誘起力顕微鏡の最近の展開2022

    • Author(s)
      菅原康弘
    • Organizer
      NIMS先端計測シンポジウム2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 光誘起力顕微鏡の最近の展開2022

    • Author(s)
      菅原康弘
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 光誘起力顕微鏡 光誘起力顕微鏡 法によるナノスケール での光圧マッピング2022

    • Author(s)
      山西 絢介,山根 秀勝, 余越 伸彦, 鳥本 司, 石原 一, 菅原 康弘
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 光誘起力顕微鏡による光圧分光マッピング2021

    • Author(s)
      山西 絢介, 山根 秀勝 ,余越 伸彦, 鳥本 司, 石原 一, 菅原 康弘
    • Organizer
      第82 回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 光誘起力顕微鏡による有機薄膜光学特性のナノスケール観測2021

    • Author(s)
      山本達也、福澤哉太、菅原康弘
    • Organizer
      第82 回応用物理学会秋季学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 光誘起力顕微鏡による有機薄膜光学特性のナノスケール観測2021

    • Author(s)
      福澤哉太、山本達也、斎藤一貴、菅原康弘
    • Organizer
      表面・真空学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] High resolution imaging of optical property of pentacene thin film by photoinduced force microscopy using gap-mode plasmon2021

    • Author(s)
      Tatsuya Yamamoto, Kanata Fukuzawam Yasuhiro Sugawara
    • Organizer
      The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High resolution imaging of photoinduced dipoles on pentacene film by photoinduced force microscopy2021

    • Author(s)
      Tatsuya Yamamoto, Kanata Fukuzawam Yasuhiro Sugawara
    • Organizer
      29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM28)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ペンタセン分子膜の作成と低温・超高真空光誘起力顕微鏡による表面の観察2021

    • Author(s)
      福澤哉太、山本達也、合田公平、王佳浩、菅原康弘
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 低温・超高真空光誘起力顕微鏡によるペンタセン分子膜の観察2021

    • Author(s)
      福澤哉太、山本達也、合田公平、王佳浩、菅原康弘
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] バルク状態による表面電位と表面状態による表面電位を分離可能なケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)の開発2021

    • Author(s)
      菅原康弘
    • Organizer
      ナノ理工学情報交流会「ナノ領域の先進分析技術」
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 走査型プローブ顕微鏡(SPM)2020

    • Author(s)
      菅原康弘
    • Organizer
      応用物理学会KOSEN SC第2回VR学術講演会
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      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] MHz帯のバイアス電圧を印加可能なヘテロダインFM-KPFMの開発 -バルク状態による表面電位と表面状態による表面電位の分離-2020

    • Author(s)
      菅原康弘
    • Organizer
      日本学術振興会ナノプローブテクノロジー第167委員会第95回研究会
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      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)による金属酸化物表面に吸着した酸素原子・分子の電荷状態に関する研究2020

    • Author(s)
      菅原康弘
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 単一有機分子内の遷移双極子モーメント測定に向けた極低温超高真空-光誘起力顕微鏡の開発2020

    • Author(s)
      山本達也、合田公平、王佳浩、菅原康弘
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科 物理学系専攻 応用物理学コース ナノ物性工学領域

    • URL

      http://nanophysics.ap.eng.osaka-u.ac.jp/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科物理学系専攻 応用物理学コース ナノ物性工学領域

    • URL

      http://nanophysics.ap.eng.osaka-u.ac.jp

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      2020 Research-status Report

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Published: 2020-08-03   Modified: 2023-01-30  

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