2016 Fiscal Year Research-status Report
化学合成された非磁性金属ナノ構造体の磁気光学応答：電子構造・マグネトプラズモン
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15K04593
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
八尾 浩史 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 准教授 (20261282)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 磁気円二色性 / チオレート保護 / 金属ナノ粒子 / 表面プラズモン共鳴 / マグネトプラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、様々なサイズや形態を持つ非磁性金属（銀や金に代表される貴金属）ナノ構造体（ナノクラスターからナノ粒子まで）の化学合成と、作製されたナノ構造体の磁気円二色性（MCD）測定を中心とする磁場環境下での円偏光を利用した電子状態の高精度解析、あるいはナノ構造体が示すプラズモン応答（マグネトプラズモン）の特性を明らかにする事を主な目標に掲げた。具体的には、様々なチオールで表面保護されたプラズモニック貴金属ナノ粒子（AuおよびAgナノ粒子）の化学合成と磁気光学応答測定に関わる研究を実施した。特に、Agはバンド間遷移と表面プラズモン共鳴に関わるバンド内遷移がエネルギー的に分離されているため、マグネトプラズモンの特徴を高精度に測定、解析することができる。この観点から、まずアルカンチオールで保護されたサイズの異なるAgナノ粒子を作製し、そのMCD測定を行った。その結果、表面プラズモン出現領域では１次微分型（derivative-like）の大きなMCD信号が観測されたが、そのローブの形は低エネルギー側の方が信号強度は大きく、左右非対称であった。また、サイズが大きい粒子程、マグネトプラズモンの信号強度は大きくなり、非対称性も小さくなった。この非対称性の原因は、円偏光に因って誘起される自由電子の円運動が粒子の最表面側にはみ出すことにより、チオレートの電子状態を巻き込だ結果である事を明らかにした。更に、様々なサイズのチオレート保護Auナノ粒子も作製し、MCDの特徴を調べた。Auの場合は、バンド間遷移がプラズモン共鳴領域と重なるため、定量的な解析は容易ではない。しかし、プラズモンが消失する閾値の2 nmのナノ粒子の信号を巧みに利用してプラズモン共鳴とバンド間遷移を実験的に分離できるを見出すと共に、その手法を利用してAuナノ粒子が示すマグネトプラズモン信号の非対称性に関する新たな知見を得た。
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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
平成28年度は、チオレートで保護された様々なサイズを持つAuあるいはAgナノ粒子の化学合成と、作製されたナノ粒子の磁気円二色性（MCD）測定を中心とする磁場環境下でのプラズモン応答（マグネトプラズモン）の特性を明らかにする事に努めた。アルカンチオールや水溶性のチオールで保護された様々なサイズのAgあるいはAuナノ粒子を精密に作製する手法は、本研究代表者のこれまでのノウハウを存分に生かせる領域であり、研究の進展にも大きく寄与した。作製された金属ナノ粒子の磁気光学応答（MCD）を測定した所、マグネトプラズモン共鳴領域で新たな発見を得た。特に、最表面を形成しているチオレートの電子状態（電荷移動状態）がMCDの信号強度に影響を与え、そのマグネトプラズモン信号の非対称性をもたらしていることを初めて明らかにした。これら大きな研究の進展は幸いにも、当該年度に優秀な大学院博士前期課程１年の学生と共同で研究を遂行できた事もあり、研究の進捗は予想以上であったと思われる。今後は様々な形を持ったナノ構造体の磁気光学応答、特に、様々なプラズモンが関わる現象（双極子型プラズモンだけではなく、例えば四重極子型プラズモンなど）を詳細に調べていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は上述したように、修士課程１年の学生と共同でうまく研究を遂行できた事もあり、研究を無事に進める事ができた。その修士課程の学生と次年度も共同で研究を進める予定であるため、本研究の推進に関して、この点からは影響は出ない。しかし一方、本研究代表者は次年度初頭から他大学（三重大学）に転出することが決まったため、実験装置等の使用・移転問題も含めて、この観点からは影響が現れるのは必須であると考えられる。尚、人的観点からは、現大学では新しい学部生の指導人数に増加は見込めないため、新しい大学での研究体制が首尾良く立ち上がれば、研究の推進にはプラスとなることが期待される。いずれにせよ、両大学の学生達と研究を展開する事となるであろう。その様な事情から、平成29年度は、まずは当初の予定通り、①様々な形状を持ったプラズモニック貴金属ナノ構造体の化学合成とその磁気光学（MCD）応答評価（マグネトプラズモン検出、サイクロトロン周波数評価）を中心に研究を遂行する予定である。具体的には、Agナノプリズムの作成と評価に取り組む。Agナノプリズムは作製法が最近かなり確立されつつあると共に、プラズモン共鳴も双極子型以外に四重極子型も存在し、その磁気光学応答を研究した例はこれまでの所はなく、マグネトプラズモンの本質に迫りたい。更には上記の事情を鑑み、②円二色性分光計を初めとする種々の分光測定システムを新たな勤務先の大学に移転し、早々に試料の作製と測定体制を整え、研究に邁進したいと考えている。
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| Causes of Carryover |
平成28年度は、研究の進展自体には滞りはなかったが、新たに研究室に配属された学生の指導については不本意ながら本研究代表者の計画を存分に実行するに充分な数を得る事ができなかった。従って、そのための費用については若干の余裕が生じた点、また、チオレート保護の金属ナノ粒子の作製についてはこれまでの本研究代表者のノウハウを存分に生かせた領域であったため、費用対効果が非常に良かった点、などがその理由である。但し、研究は非常に効率よく行われた点については安堵する次第である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
先にも述べたが、平成29年度は本研究代表者の転出に伴う諸費用、特に移設費用や、新たに購入すべき装置・器具類の費用が大きくかさむ事が予想される。従って、研究・実験を滞りなく進めるための手段に最終年度の科研費を効率的に使用し、成果を上げていきたい。とりわけ、装置移転に円二色性分光光度計などを含むが、この装置は変調素子を組み込んでいるため、通常の輸送以外に、移転後の調整が必須となる。この費用は非常に高価であり、不可避と考えている。
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