顕微光量子計測とTEM撮影を活用した量子ドット単一光子特性の研究

• Project/Area Number: 22K04889
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28030:Nanomaterials-related
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: 井原 章之 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所小金井フロンティア研究センター, 主任研究員 (10619860)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 単一光子 / 顕微発光計測 / 量子ドット / 半導体ナノ粒子 / 遠隔操作 / 電子顕微鏡

Outline of Research at the Start

本研究では、単一光子をカウントする計測法と光学顕微鏡を組み合わせた「顕微光量子計測法」を活用し、ナノサイズの発光材料を用いた単一光子発生技術の開発を進める。特にコロイド量子ドット（CQD）と呼ばれる発光材料を対象として、サイズ・形状などの幾何学的特徴が単一光子特性に与える影響を調べる。既存手法のもつ「個々のCQDの幾何学的特徴を決定できない」という問題を解決するための技術を開発し、従来法では困難であった「幾何学的特徴に依存した単一光子発生メカニズムの解明」への道筋を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、単一光子をカウントする計測法と光学顕微鏡を組み合わせた「顕微光量子計測法」を活用し、ナノサイズの発光材料を用いた単一光子発生技術の開発を進める。特にコロイド量子ドット（CQD）と呼ばれる発光材料を対象として、サイズ・形状などの幾何学的特徴が単一光子特性に与える影響を調べる。既存手法のもつ「個々のCQDの幾何学的特徴を決定できない」という問題を解決するための技術を開発し、幾何学的特徴に依存した単一光子発生メカニズムを調べる。開発した新しい顕微光量子計測技術を基盤として、単一光子発生に適したCQD材料設計の指針を明らかにすることを目指す。
高い集光効率で顕微光量子計測を実施するためには、TEMグリッドにイマージョンオイルを付着させる必要がある。しかし、オイルが付着したTEMグリッドではTEM撮影が困難であるため、顕微光量子計測の実施後にオイルを除去しなければならない。本年度には、TEMグリッドに塗布したCQDに対する単一光子特性の測定を行った実験データを解析し、凝集したCQDの粒子数が２個以上ある場合に単一光子特性が悪化することを確認した。開発した手法を活用することによって、単一CQDの幾何学的特徴と単一光子特性の関係性を解明することが可能となるかについても検討を進めた。また、開発した計測装置を遠隔地からリアルタイムに操作する際に役だつ新たな技術の開発にも着手した。ナノテクノロジー関連の展示会等において、開発した顕微光量子計測装置をリモート操作するデモ実演や体験会を実施した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初計画していた通りに、TEMグリッドに塗布したCQDに対する単一光子特性の測定を行った実験データを解析し、凝集したCQDの粒子数が２個以上ある場合に単一光子特性が悪化することを確認できた。また、開発した計測装置を遠隔地からリアルタイムに操作する際に役だつ新たな技術の開発にも着手し、展示会等において、計測装置を遠隔操作するデモ実演や体験会を実施することにも成功した。これらの点を考慮して、当初の計画以上に進展していると自己評価した。

Strategy for Future Research Activity

2023年度までに開発した手法を用いれば、単一CQDの幾何学的特徴と単一光子特性の関係性を調べることが可能となる。最終年度には、サイズ・形状・配列構造の異なるCQDを対象とした実験の実施に向けた検討を進める。研究の実施期間を通して行った実験や解析によって得られた知見を基盤として、どのような幾何学的特徴をもつナノ発光材料が単一光子発生に適しているのかを明らかにすることを目指す。また、顕微光量子計測装置を遠隔地からリアルタイムに操作する技術を活用しながら、要素技術の応用シーンを開拓することにも挑戦する。