| Project/Area Number |
23K17350
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
滝口 雅人 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, ナノフォトニクスセンタ, 主任研究員 (90728205)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
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| Keywords | カソードルミネセンス / 電子エネルギー損失分光 / 時間分解分光 / 電子顕微鏡 / ナノフォトニクス |
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| Outline of Research at the Start |
高速かつ省エネルギーなデバイス開発はナノフォトニクス分野における重要課題であり、ナノメートルの空間分解能を有するカソードルミネセンス（CL）はナノ材料やデバイス機能の解析の強力な手法となり得る。従来のCLは類似のフォトルミネセンス（PL）のような励起エネルギー選択性がなく、様々な励起状態を区別することなく緩和過程を計測するため、種々の現象を切り分けて解析することができない。本研究では新型CL顕微鏡を開発し、時間分解PLと定量比較可能な計測をナノメートルオーダーの空間分解能で実現するとともに、未解明であった半導体におけるCLの機構を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
カソードルミネセンスは電子顕微鏡と組み合わせて発光を計測する手法であり、類似の発光計測手法であるフォトルミネセンスと比較して高い空間分解能を持つ一方で、励起エネルギー選択性がないため、発光材料と光共振器とを組み合わせた複合ナノ構造の評価等に課題があった。また、先行研究で、カソードルミネセンスとフォトルミネセンスの時間分解（相関）計測において、減衰時間が大きく異なる現象が報告されており、現象の解明に向けてカソードルミネセンスに励起エネルギー選択性を付与する開発が必要とされている。本年度の研究では、オメガフィルターを搭載した透過電子顕微鏡にカソードルミネセンス光学系を構築し、さらにオメガフィルター後段に高速電子検出器を配置することにより、特定のエネルギー損失を伴った非弾性散乱電子の検出と放出光子の相関計測（電子－光子相関）を可能にした。エネルギー選択無しの電子－光子相関における遅延時間ゼロの二次相関係数が、ある一定以上のエネルギー損失を伴った非弾性散乱電子を選択することで上昇する現象を観測することに成功し、本開発の原理実証に至ったと言える。また、本年度の実験結果から、高速電子が半導体材料に入射した際、電子－正孔対の生成数が試料を透過する間の全電子エネルギー損失とともに増加する可能性が示唆されており、相関係数のエネルギー損失依存性を精緻に解析することにより、電子線の非弾性散乱から光子生成に至るまでの素過程のモデルを得られる見通しが立った。
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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
当初予定どおり、電子エネルギー損失分光とカソードルミネセンスとの相関計測が実現しており、計画研究の中の最重要部分が達成されたと言える。発光効率の空間分布をナノメートル分解能で可視化するためのマッピングソフトウェアも基礎部分の開発が完了し、さらに計測の効率を左右するシンチレータも高性能化し続けており、応用例を示す段階に辿り着いている。応用例として典型的と言える発光材料と光共振器とを組み合わせたナノ構造を予定しているが、試料作製方法も確立しており、来年度には実践データが取得される見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
2025年度は、電子エネルギー損失分光とカソードルミネセンスとの相関計測に基づく励起イベント選択発光マッピングを実践投入する。具体的にはLED材料として期待されているハライドペロブスカイトのキャリアダイナミクスの計測に適用し、さらにフォトルミネセンス計測とも比較しながら、当初計画どおり、そのカソードルミネセンスの機構解明を進める。カソードルミネセンスとフォトルミネセンスの両方を矛盾なく解析できる学理の構築と定量計測の実現を目指す。さらに、材料としての性能を高める上での知見をナノ物性解析の観点から進める。また、ナノ光共振器と組み合わせた試料にも適用し、光―物質相互作用の局所定量解析を実現する。
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