| Project/Area Number |
22K04965
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
居波 渉 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (30542815)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小野 篤史 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (20435639)
中村 篤志 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (50402243)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 超解像顕微鏡 / 蛍光薄膜 / カソードルミネッセンス / 金属ナノ粒子 / プラズモン / 酸化亜鉛 / プラズモン増強 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、電子線励起超解像光学顕微鏡で用いる蛍光薄膜の発光をプラズモンで増強し、高い空間分解能を維持したまま動画観察の速度を向上させることである。これまでの電子線励起超解像光学顕微鏡では、高分解能な画像が得られたが、データの取得に時間がかかり、動く試料の動画観察はできなかった。そこで、蛍光薄膜の発光をプラズモンで増強する。金属ナノ粒子の材質、サイズ、粒子密度、コーティングもしくはスペーサー層、塗布方法について検討し、高い発光強度を持つ蛍光薄膜を実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、原子層堆積法（ALD）と真空蒸着法を用いて、Al2O3/ZnO/Al2O3のヘテロ構造に金属ナノ粒子を導入し、カソードルミネッセンス（CL）強度の増強を試みた。ZnOとAl2O3のヘテロ構造は、ALDによってSi(100)基板上に成長させた。Al2O3 バッファー層の厚さは 5 nm、ZnO 層の厚さは 50 nm、Al2O3 バリア層の厚さは 10 nm である。その後、空気環境の電気炉で700℃と800℃でそれぞれ30分と60分間アニールした。Alナノ粒子は、厚みモニターを搭載した抵抗加熱蒸発法によって堆積させた。AuとAgのナノ粒子はマグネトロンスパッタリングで蒸着した。アニールしたZnOの粗面上にAl2O3バリア層を設け、導波路および光拡散層として機能する。マグネトロンスパッタリングによるAuおよびAgナノ粒子の導入により、Al2O3バリア層にAuおよびAgナノ粒子を導入すると、ヘテロ構造の積分CL強度がそれぞれ3.1、18.6倍増加した。ZnO励起子とAg局在表面プラズモン(LSP)の結合による光取り出し増強と自発CL発光速度向上の相乗効果により、発光強度が増強したと考えられる。
ALDと真空蒸着法を用いて、Al2O3/ZnO/Al2O3ヘテロ構造に金属ナノ粒子を導入する研究を行った。Agナノ粒子をAl2O3バリア層に組み込むことで、ヘテロ構造の積分CL強度が18.6倍に増加した。Al2O3バリア層は導波路および光拡散層として機能する。カプセル化された金属粒子は散乱層として機能し、LSPR増強に適した位置となる。改善された光アウトカップリングと自発的CL発光率の相乗効果により、強度の高い電子ビーム励起ナノ光源が実現し、高い信号雑音比や高速なイメージングが実現する。
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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
これまで、ALD法を用いて積層数を変えたAl2O3/ZnO/Al2O3構造を有する蛍光薄膜を作製し、それらを表面粗さや蛍光強度で評価してきた。そして、今年度は、金属ナノ粒子を導入し，発光強度を大幅に改善することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズモン増強により発光強度が改善した蛍光薄膜ができたため、それを開発している超解像顕微鏡で使用し、画像取得速度、空間分解能、画像のコントラストと信号雑音比を評価する。蛍光薄膜に導入した金属粒子の空間的な分布や粒径の分布により蛍光薄膜の発光が空間的に不均一になると考えられる。そして、その測定結果をフィードバックし、蛍光薄膜や蛍光増強のための金属ナノ粒子よるプラズモン増強の最適化を行う。また、高速で高感度な検出器や高速なデータ取得システムの構築や電子線の電流量の増加を検討し、開発している超解像顕微鏡の性能を改善する。そして、コロイド粒子の自己組織化の様子や細胞などを高速に画像化し、その結果を評価する。
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