金属・磁性量子井戸ヘテロ構造における表面プラズモンと磁気光学の融合

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 25104708
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松井 裕章 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (80397752)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2014: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2013: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: 光物性 / 磁気光学 / 表面プラズモン / 量子井戸 / 酸化物半導体 / 希薄磁性半導体 / ZnCoO / 紫外域

Outline of Annual Research Achievements

表面プラズモンを応用した光ナノデバイスは、従来の半導体技術を凌駕する光技術の創出が期待される。本研究では、ZnO系量子井戸内の励起子遷移と金属ナノ構造体の表面プラズモン間の相互作用を理解し、磁気光学応答の向上を目指した。最初に、ZnO系単一量子井戸と金属間の動的光応答を調査した。本研究から、光励起下で量子井戸内に生成される励起子が表面プラズモンへの光結合を示す結果を得た。特に、量子井戸内の発光（photoluminescence: PL）分光の時間分解計測に基づいて、量子井戸から表面プラズモンへのエネルギー移動が観測された。この現象は、量子井戸内の電子・正孔対の再結合過程が、金属表面上のプラズモン励起に強く影響されることを示唆する。
上記の研究成果を踏まえて、磁性量子井戸と表面プラズモン励起の相互作用を検討した。磁性量子井戸の磁性層として、Zn1-xCoxOを採用した。Zn1-xCoxO層の磁気光学効果はCo濃度に強く依存する。磁気円二色性（MCD）分光から、Co濃度は10%程度で大きなゼーマン分裂（高いg因子）を励起子遷移において示すことを見出し、測定温度10Kにおいて、20程度のg因子を示した。故に、Zn0.90Co0.10O及びMg0.10Zn0.90Oを量子井戸及び量子障壁層とした磁性量子井戸構造を形成し、同様に磁気円二色性及びその温度依存性を評価した。紫外域への表面プラズモン励起として、波長350 nmから400 nmにプラズモン共鳴ピークを示す白金（Pt）ナノドット構造体を採用した磁性量子井戸層内の磁気光学応答は、表面プラズモン励起によって僅かに向上することを見出した。今後、この研究成果に基づいて、磁気光学励起と表面プラズモン励起の光相互作用のダイナミクスの研究を展開していく。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Surface plasmon sensors on ZnO:Ga layer surfaces: Electric field (2014)
  • Author(s): H. Matsui1, A. Ikehata and H. Tabata
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett Volume: 106 Issue: 1
  • DOI: 10.1063/1.4905211
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Engineering of optical polarization based on electronic band structures on A-plane ZnO layers under biaxial strains (2014)
  • Author(s): H. Matsui, N. Hasuike, H. Harima and H. Tabata
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 116 Issue: 11
  • DOI: 10.1063/1.4895842
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Coupling of Er light emissions to plasmon modes on In2O3: Sn nanoparticle sheets in the near-infrared range (2014)
  • Author(s): Hiroaki Matsui1,2,a), Wasanthamala Badalawa2, Takayuki Hasebe, Shinya Furuta, Wataru Nomura, Takashi Yatsui, Motoichi Ohtsu and Hitoshi Tabata
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 105 Issue: 4
  • DOI: 10.1063/1.4892004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of electron carriers on local surface plasmon resonances in doped oxide semiconductor nanocrystals (2014)
  • Author(s): H. Matsui, S. Furuta, and Hitoshi Tabata
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 104 Issue: 21
  • DOI: 10.1063/1.4880356
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxide surface plasmons resonance for a new sensing platform in the near-infrared range (2013)
  • Author(s): H. Matsui, W. Badalawa, A. Ikehata, and H. Tabata
  • Journal Title: Advanced Optical Materials Volume: 1 Issue: 5 Pages: 397-403
  • DOI: 10.1002/adom.201200075
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and magnetic properties of NiAs-type FeSe and related alloy layers (2013)
  • Author(s): G. Song, H. Matsui, H. Akai, and H. Tabata
  • Journal Title: J. Vac. Sci. Technol. B Volume: 31 Issue: 4 Pages: 42801-42801
  • DOI: 10.1116/1.4807653
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lattice, band and spin engineering on Zn1-xCoxO (2013)
  • Author(s): H. Matsui and H. Tabata
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 113 Issue: 18 Pages: 183525-183525
  • DOI: 10.1063/1.4804656
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Challenge for nanoplasmonics on oxides (2014)
  • Author(s): H. Matsui
  • Organizer: Core-to-core Internaitonal Workshop
  • Place of Presentation: Lyon (France)
  • Year and Date: 2014-10-27 – 2014-10-28
• [Presentation] Surface plasmons and Mott transition in strongly-correlated oxide VO2 (2014)
  • Author(s): H. Matsui, T. Kanki, H. Tanaka, J.J. Delaunay and H. Tabata
  • Organizer: Japan-OSA Joint Symposium
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] In2O3:Snナノ粒子間のギャップ励起と機能 (2014)
  • Author(s): 松井裕章、古田晋也、長谷部貴之、蓮池紀幸、田畑仁
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] In2O3:Snナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴とその近赤外応用 (2014)
  • Author(s): 松井裕章、古田晋也、長谷部貴之、蓮池紀幸、田畑仁
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Solar energy harvesting by ferrite oxide hetero-structured thin films
  • Author(s): H. Tabata, M. Seki and H. Matsui
  • Organizer: The 6th Indo-Japan Seminar Physics and Desing of Multi-Functional Correlated Materials
  • Place of Presentation: 東京大学 (東京都）
  • Invited
• [Presentation] 酸化物プラズモニックマテリアル：強相関電子材料への展開
  • Author(s): 松井裕章
  • Organizer: 大阪大学産業科学研究所（依頼セミナー）
  • Place of Presentation: 大阪大学 （大阪府）
  • Invited
• [Presentation] Energy Conversion from mechanical stress to luminescence in defect-controlled spinel oxides
  • Author(s): H. Matsui
  • Organizer: The 2nd International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis
  • Place of Presentation: 上海 （中国）
  • Invited
• [Presentation] Surface plasmons on oxide semiconductors for nano-biosensing in the infrared
  • Author(s): H. Matsui
  • Organizer: The 6th Medical Biotech Forum
  • Place of Presentation: 深セン （中国）
  • Invited
• [Presentation] 強相関電子系のナノプラズモニック励起と創発機能
  • Author(s): 松井裕章
  • Organizer: ナノ光励起における複雑性・多様性と機能シンポジウム
  • Place of Presentation: 慶応大学 （神奈川県）
  • Invited
• [Presentation] Crystal growth and optoelectronics in quantum nanosturctures on nonpolar oxides
  • Author(s): H. Matsui
  • Organizer: The 3th Collaborating conference on Crystal Growth
  • Place of Presentation: カンクン （メキシコ）
  • Invited
• [Book] 酸化物半導体におけるナノプラズモニック励起とキャリア制御 (2015)
  • Author(s): 松井裕章、田畑仁
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 日本光学会（レーザー研究）
• [Book] Imaging spectroscopes for molecular spectroscopes on adenoma caricinoma in human colons: functionalities of regions adjacent to cancerous tissues (2014)
  • Author(s): H. Matsui
  • Total Pages: 7
  • Publisher: JASCO Report
• [Remarks] http://www.bioxide.t.u-tokyo.ac.jp/