2017 Fiscal Year Research-status Report
超高効率超高速赤外発光計測システムの開発と応用展開
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17K05505
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| Research Institution | Toyota Physical and Chemical Research Institute |
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Principal Investigator |
末元 徹 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (50134052)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | フェムト秒発光 / 赤外発光 / アップコンバージョン / 金属 / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、赤外超高速発光を高感度で観測できる装置の開発とそれを利用した金属の発光現象の研究である。当初の計画では、29年度には超高速発光計測法（アプコン法）の高度化を図るために、(1)点対称配置楕円面鏡を用いた高効率の集光光学系の構築、(2)波長可変フィルター式分光器による透過効率の向上を中心とした装置開発を行う予定であったが、(1)は、鏡の反射効率や結像精度について未知の部分が多く、発注までに更なる検討が必要と判断したので、装置に関しては(2)を先行して実施した。新たに開発したフィルター式分光器を用いたところ、0.9eVで約4倍、0.3eVで約10倍という予想以上の感度向上が実現した。計測用ソフトウェアをLabVIEWによって新たに構築し、分光器、結晶角度、光学遅延を連動して駆動できるようにした。これにより、これまで極めて非効率的であった時間分解スペクトルの取得を極めて迅速に自動的に行うことが可能になった。
物性測定に関しては、高感度化により各種バルク金属の発光が観測可能になり、これまでに、白金、スズ、アルミニウム、準結晶合金などにおける発光を捉えることに成功した。いずれもこれまでに研究例がないので、解釈には時間がかかると予想される。30年度以降に予定していた金属ナノ構造については、豊田中研より非常に興味深い試料の提供を受けることができたので、前倒しで発光測定を行った。その結果、瞬時強度としては直接ギャップ半導体InAsに匹敵する強い信号をナノポーラスシリカ内に作られた白金ワイヤーとドットについて見出した。特にワイヤー（1次元系）では、非線形な発光と長い発光寿命が観測され、光励起されたキャリアーの再結合過程に興味が持たれる。
白金における時間分解発光は、バルク、ナノ構造いずれも初めての観測である。この成果は国内学会2件で発表し、国際会議での発表も2件を予定している。
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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
予想より進んだ点は、低エネルギー領域での感度が大きく改善したこと、測定の自動化が進んだこと、バルク金属の発光、ナノ構造の発光の測定が進み、議論に耐えるデータが蓄積しつつあることである。やや遅れているのは、楕円面鏡の導入による集光効率の改善である。また、データの解釈については、理論家の応援を得るなどして加速する必要がある。以上、多少の実施順序の入れ替えはあったものの、基盤研究C初年度の研究としては概ね順調に進捗したと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
＜装置開発について＞
波長可変フィルター式分光器は予想通りの性能を発揮したが、必要な波長範囲すべてをカバーするためには4枚のフィルターを切り替えて用いる必要がある。現状では2枚セット2個を手動で着け外す方式なので、実験時間の短縮の障害になっている。したがって早急にこれを全自動式に改める必要がある。30年度前半にはこの部分を完成させたい。集光光学系については、確実な方法として開口角の大きな放物面を使う光学系を構築する。これにより2倍程度の効率向上を見込んでいる。点対称楕円面鏡に関しては、発注までに仕様の詰めが必要なので、業者との打ち合わせを平行して進める。
レーザー光源については、出力の変動が非線形過程を通してS/N比の低下につながっているので、アクティブ・フィードバックによる安定化を試みる。
＜物性測定＞
これまでに、Bi,Sn,Pd,Ni,Al,V,Znなどの薄膜試料の作製を試みたが、V, Znは製膜に成功していないので、作製手法を検討する。その他の金属についても順に作製を試みる。また、実際に発光測定を行う中で分かってきたことであるが、単なる光学研磨ややすり仕上げの試料でも測定が可能であり、Biでは品質のよい膜でも粗い表面でも発光寿命は余り変わらないという結果も出ている。したがって、今後は表面状態と発光特性の関係についても調査をしたいと考えている。金属における発光の寿命やスペクトルが何で決まっているのか、またそこからどんな情報が得られるのか、理論的な考察が必要と考えられるので、広くデータを収集するとともに、学会等で開示して、理論家の協力を得たい。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では初年度に点対称配置楕円面鏡（約100万円）を導入する予定であったが、メーカーの提供する反射率や結像精度のデータが不足していたため発注に至らなかった。一方バンドパスフィルター式分光器の整備は先行して進め完成させた。このため、差額として残った約58万円を2018年度に回すことになった。したがって今年度配分が予定されている90万円と合わせて148万円が使用可能である。現在(1)楕円面鏡の仕様を詰めて発注する(2)検知器をアバランシェフォトダイオード（約80万円）に変えることで感度を向上させる、という2つの方向を検討中であり、いずれかを今年度予算によって実施する計画である。
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Research Products
(3 results)
