2016 Fiscal Year Research-status Report
極限時空間分光法の開発と光誘起構造相転移研究への応用
| Project/Area Number |
16K13822
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
金崎 順一 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (80204535)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木曽田 賢治 和歌山大学, 教育学部, 教授 (90243188)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 光物性 / 局所分光 / 表面・界面 / 相転移 / ポンプ・プローブ分光 / 探針増強ラマン散乱 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、トンネル顕微鏡とラマン散乱分光法を融合したトンネル顕微鏡・探針増強ラマン散乱分光システムに、ポンププローブ法による時間分解分光測定技術を導入する。本年度は、測定に用いるフェムト秒レーザー発生装置の調整、時間分解測定用光学系の構築、さらに、トンネル顕微鏡ステージに設置した試料近傍で反射光を効率的に集光するための光学系を超高真空中で駆動する機構の設計、製作、調整を行った。
時間分解測定用の極短パルス励起・プローブ光として、チタンサファイアレーザーの再生増幅システムを備えたレーザー発生装置を用い、その調整を行った。基本波800nmのオシレーター光（出力1W, 繰り返し80MHz)を再生増幅し、パルス時間幅100フェムト秒、出力700ミリワット, 繰り返し１キロヘルツの光を得た。レーザー発生装置から出力された光を非線形結晶により２倍波、３倍波、更に４倍波を分離して得るための高調波発生システム、さらに、各波長の光について一軸自動駆動ステージを用いて光学長を変化させ、遅延時間を調整する光学系を構築し、ポンプ・プローブ測定の為の光学システムを完成させた。
本手法開発における重要な点の一つは、検出感度を向上させることであり、試料からの散乱光を効率的に捕集する光学系の構築が必要である。超高真空トンネル顕微鏡の駆動ステージに置かれた試料近傍において捕集用光ファイバーの先端部を３次元で空間駆動できる機構を設計し、製作した。捕集した光は光ファイバーを通して排気チェンバーの光学窓に導かれ、大気側の分光測定システムへと効率的に導かれる。現在、He-Neレーザーによる参照光を試料表面に入射し、散乱光の捕集効率の最適化を行っている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究を行うためには、極短パルス光発生装置、時間遅延調整用光学系、超高真空トンネル顕微鏡、光捕集機構、高分解能分光装置から構成される測定システムの構築が必須である。今後１）時間分間を伴わない探針増強ラマン散乱による局所分光測定、2)ポンプ・プロ―ブ測定技術との融合による時間分解・局所分光測定の２段階で測定システムの完成につなげる計画である。
初年度において測定システムを構成する各部分の構築は完了している。励起・プローブ用の極短パルス光発生装置については、研究に必要な励起強度・パルス時間幅を有する光の出力が可能であることが確認されており、また、現有のトンネル顕微鏡を用いて半導体・グラファイト試料表面構造の原子スケール観察も完了している。また、分光測定に用いるCCD検出器付き可視用分光器の動作確認も独立した分光測定を通して完了している。
初年度の研究は計画通りに進展しており、各構成測定装置を融合したシステムとしての動作確認や測定条件の最適化に進展できる状況にある。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度は銀探針や銀微粒子等を蒸着した増強ラマン散乱に必要な探針を製作するとともに、蒸着やレーザー光励起等により半導体表面にナノ構造を作成し、これをマーカーとして探針増強ラマン散乱の測定条件を最適化する。探針増強ラマン散乱分光の検出効率や位置分解能を最適化するための探針条件や励起条件・光学系を決定する。
測定条件の最適化を行った後、初年度に調整したフェムト秒レーザー光発生装置により得られる極短パルス光を用いて清浄なグラファイト表面を励起し、光誘起構造相転移の初期核構造や新規のナノ構造相を創出する。これらの構造はグラファイト上で単一原子サイト程度～数ナノメートルにわかる広がりを持ち、且つ、室温において安定に存在することが判明している。探針をこれらのナノ構造に移動し、探針増強ラマンによる振動分光測定を行う。これにより、新規ナノ構造の結合形態に関する知見を得るとともに、構造相転移における核成長過程の物理機構を解明する。今年度中にナノ構造の局所分光測定手法である探針増強ラマン散乱分光測定を可能なシステムの構築を完了し、最終年度における時間分解測定に向けたナノ構造電子状態や振動状態に関する基礎情報の蓄積を進める。
|
| Causes of Carryover |
差額分は分担者への分担金として配分したが、次年度の実験研究に使用する物品購入費等に充てるため繰り越した。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度には、探針増強ラマン測定を進める計画であるが、分担者は特にその測定光学系の効率化を分担することになっている。測定システムを最適化するために、実際の測定結果に応じて適宜測定光学系を改良していくことが重要である。現状設置している光学系を改良するための費用として分担者への分担金分を繰り越しし、状況に応じて光学系の物品購入や情報収集のための調査旅費に充てる予定である。
|
