2017 Fiscal Year Annual Research Report
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16H03820
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
北島 正弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノ光制御グループ, NIMS特別研究員 (00343830)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長尾 忠昭 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, M ANA主任研究者 (40267456)
島田 透 弘前大学, 教育学部, 講師 (40450283)
片山 郁文 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80432532)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノ構造部性 / 局在光・熱物性 / 熱伝導 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）ナノ構造体の作成と局在光物性の評価：円柱状・矩形状２D金属ナノ構造配列体、１D金ナノ粒子配列体等を作成した。特異な性質を有するBi系については、極薄膜に加えて、新たにBiナノ粒子をMBE利用により作成した。これら試料について、局在光特性を顕微ラマン分光、光散乱の暗視野像、誘電率スペクトル等により解析した。特に、Biナノ粒子の顕微ラマン測定では、基板Siの光学フォノンラマンの増強を示唆する結果が得られている。また、光誘起電流を高感度で顕微分光する手法の開発を進めた。
２）超高速時間分解測定ー遅延時間がfs-nsに跨るポンプープローブ系の開発：ナノ粒子では、音響フォノンの周波数は、サイズによって変わるだけでなく、特に非球状粒子系では粒子内位置や励起向きに依存して広く分布すると考えられる。fs代の極短周期の振動はスキャンディレイ(SD)で検出できる。また、数10ps~nsの長い周期の振動はスロースキャン(SS)使用で検出できる。これら異なる時間領域の挙動を同時に検出するため、従来の最長遅延15psのSDをSS光路に組み込む系の開発に着手した。現在使用中のSSでは、1000ステップ移動が約3.3ps遅延時間に対応し、ステージ幅は15cmであり最長0.5nsの時間遅延まで計測可能である。これまでに、Bi結晶性膜（厚さ40nm）において、周期が<100fsの光学フォノンに加えて、周期15psを越えるコヒーレント振動が検出されている。
３）顕微コヒーレントフォノン分光法の開発：ナノ構造の位置特定および粒子間相互作用に起因するコヒーレンス緩和を防ぐ目的で、本法の開発を行った。試料の光集光・観察には、分散を抑えるため、反射型対物レンズを使用した。現在までに、空間分解能~6μm、時間分解能~17fsが達成されている。
これらの新システムをナノ構造のコヒーレント音響フォンノン研究に適用する。
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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
本課題では、ナノ構造のコヒーレント音響フォノンのダイナミクスの測定研究に必要な技術的課題として、遅延時間fs-nsを有するポンプープローブ系の開発を漸く実現した。これにより、ナノ構造中において極めて広い周波数分布をもつ音響フォノンを効率よく測定できる。さらに、顕微コヒーレントフォノン分光手法の開発によっては、ナノ構造部位の特定が可能となり、また粒子間相互作用に起因するコヒーレント音響フォノンの減衰も効率的に防ぐことができる。
本ポンプープローブ系では、ステップごとに得られるシグナルの安定性に未だ問題がある。また、顕微系は空間分解能を1μmまでにしたい。これらの改善が今後必要とされる。
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| Strategy for Future Research Activity |
コヒーレント音響フォノンのダイナミクス研究をより効率的に行うため、以下のような研究計画を推進する：
１）ナノ構造体の作成と局在光物性の評価
多様な音響フォノンを誘起するため、引き続き、円柱状・矩形状２D金属ナノ構造配列体や１D金ナノ粒子配列体等を作成する。局在プラズモン増強・粒子間カップリング等の効果を引き出すために、特に電子線リソグラフィーを使用し、粒子形状や粒子間隔を精密に（10nm－100nm）制御する。得意な局在特性をもつと予想されるBiナノ粒子については、a)サイズ制御の方法を探ること、b）顕微手法等により局在光特性を詳細に調べる。
２）超高速時間分解測定
遅延時間fs-nsを有するポンプープローブ系および顕微コヒーレントフォノン分光法の効率化を引き続き進め、上記ナノ構造体におけるフォノン閉じ込め、粒子間結合のダイナミクス研究を行う。さらに、ポンプ光とプローブ光とが異なる照射位置でのポンプープローブ実験を行い、音響フォノンの伝搬（熱伝導挙動）を調べる。
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