2022 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Next-Generation Nano-Optics Using Fast Electrons |
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| Project/Area Number |
22H05033
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
三宮 工 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60610152)
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| Project Period (FY) |
2022-05-20 – 2025-03-31
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| Keywords | 透過電子顕微鏡 / カソードルミネセンス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光技術とエレクトロニクスを融合したナノデバイスは、超高速通信、光センシング、LEDなど、現代の社会基盤となっている。デバイスの小型化が著しく進行する中、電子デバイスはすでに十nmスケールにまで到達している。一方、光は500nm程度の波長限界に制約されため、ナノ光デバイスの実現には、回折限界を超えて局所に光を閉じ込める必要がある。本研究では、電子線を用いた発光計測により、光の波長限界をはるかに超えたスケールで、光の位置・運動量（角度）・エネルギー・位相・偏光までを計測するビッグデータ計測系を実現し、新奇な光ナノアンテナ・光ナノデバイスを創製する。
２０２２年度は、これまでの研究において確立された、電子線励起発光（カソードルミネセンス、ＣＬ）を用いた空間位置・運動量・エネルギー計測に発光位置分解を加えた系を統合した顕微システムを整備した。励起位置・エネルギー分解とあわせて発光位置分解したマッピングを行うハードウェアおよび制御ソフトウェアを構築した。さらに、複数次元のビッグデータを取得するため、解析ソフトウェアの構築も行った。また、コヒーレントなＣＬの干渉を利用した新たな光位相抽出手法および、干渉を用いないインコヒーレントな位相抽出法を検討する。
上記のＣＬ法を用いて、全方位型のナノアンテナとして機能する様々なサイズの誘電体球および、それらが結合したアンテナ構造の解析を実施した。機能性ナノアンテナの実現に必要となる局所状態密度の制御には、これまで金属表面に局在した表面プラズモンが注目されてきたが、エネルギー吸収が不可避であることから、シリコンのような高屈折率誘電体界面に存在する誘電体ポラリトンや、吸収体の特定周波数で使用可能なエキシトンポラリトンを有するアンテナ構造の検証を行った。また、吸収特性が異なり、かつ相分離する金属を用いた複合材料化した異方性ナノアンテナの開発も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
計画していた空間位置・運動量・エネルギー計測に発光位置分解を加えた系を統合した顕微システムの構築がほぼ完了し、動作するところまで達成できている。また、これらの成果は論文発表まで達成できており、国内外の学会においても発表している。
また、自己組織化による相分離した金属を用いた異方性ナノアンテナ粒子についてもその生成過程を透過電子顕微鏡その場観察により明らかにし、その成果が論文掲載されている。
関連内容に関しても、学会においても速報を数多く発表できており、全般に計画以上に進展しているといってよい。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までの研究において、発行位置分解を加えた電子線励起発光（カソードルミネセンス、ＣＬ）の顕微システムを構築がおおよそできあがった。ハードウェアおよび制御・解析ソフトウェアの最適化はいまだ必要であるため、本年度も引き続きシステム構築をすすめる。また、発光位置分解のシステムを用いて、発光位置・発光角度分解パターンを取得することで、位相抽出ができることがわかってきている。この方法では参照波との干渉を必要としないことから、発光一般への適用も可能である。これまでにシミュレーションではおおよそ位相抽出が再現できており、これを実際の測定系に適用していく。例えば、プラズモニック結晶やナノアンテナ、誘電体ポラリトンの計測を行う。
さらに、大量のデータを同時取得するための多重化計測にむけたシミュレーションも実施する。１点ずつのスキャンではなく、複数の点からなるビームを用いて、スキャン点数を減らして計測を行い、適当な前提条件を置くことで、細かいスキャン点数のデータの復元ができると考えられる。これにより、ダメージをうけやすいサンプルの測定点数を減らすことが可能となる。この多重化計測に関して、シミュレーションを実施し、どのような条件でデータ復元が可能かを検討し、実機搭載にむけた検討を行う。電子顕微鏡においては、この多重化ビームはコンデンサ絞りにパターンを導入することで実施する。まずは、ランダム孔からなる絞りのフーリエ変換を計測ビームの基本とし、フォーカスを適当に調整することでランダムビームを生成する。これらのシミュレーションソフトを作成し、アルゴリズムやパラメタの検討を行う。また、実計測にはスペクトル取得の前に、HAADF等の一画像取得を行い、実証実験を行う。絞り作製にはFIBを用い、金厚膜を加工する。
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