表面プラズモンによる非弾性光散乱の研究

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04986
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 岡本 隆之 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 特別嘱託研究員 (40185476)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 非弾性光散乱 / ラマン散乱 / 表面プラズモン共鳴 / セレン化亜鉛 / 金ナノロッド

Outline of Annual Research Achievements

協力研究者より提供を受けた試料と用いて実験を行った。この試料はセレン化亜鉛基板上に長さ2 μm、幅0.4 μm、厚さ42 nmの金ナノロッドを5 μmの間隔に正方格子状 に配置したものであり、電子ビーム描画とリフトオフ過程により作製したものである。本ナノロッドに担持される局在表面プラズモンの長軸モードの共鳴周波数は1100 cm^-1である。これまで用いていた波長532 nmのレーザーに加え、波長632.8 nmのヘリウム-ネオン レーザーを励起光として非弾性散乱光の観測を試みた。しかし、ヘリウムやネオンからの相対的に強い自然放出光の輝線スペクトルが相対的に強い背景光となり、金ナノロッドからの非弾性散乱光は確認できなかった。さらに、顕微ラマン分光システム(Horiba-Jobin yvon)を用いて、波長488、514.5、および632.8 nmのレーザー光で励起して観測を試みたがレーリー光が長波長まで裾を引き、非弾性散乱光は確認できなかった。有機分子などのラマン散乱分光においては、ラマン散乱光のピークの幅が非常に狭いため、分解能の高い分光器を用いることでラマン散乱光と傾向の見かけの強度比を大きくすることができる。しかし、表面プラズモン共鳴では金属による損失が大きいため、共鳴ピークの幅は大きい。本研究で用いている金ナノロッドの場合、ピーク波数1100 cm^-1に対して、半値幅は約300 cm^-1である。そのため、分光器の分解能を上げてもルミネッセンスとの見かけの強度比を上げることはできなかった。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

初年度において、金ナノロッドの表面プラズモンモードによる非弾性散乱光に関して何らかの信号を得る予定であったが、本年度までの実験では得られなかった。信号を得るための工夫としては、ポンプ光の波長の変更や、顕微ラマン分光システムを使用したが、残念ながら結果は芳しくはなかった。ただし、非弾性散乱光が発生するかどうかは理論的に保証されているものではない。

Strategy for Future Research Activity

引き続き金ナノロッドの表面プラズモンモードによる非弾性散乱光の検出を試みる。これまでの研究で明らかになったことは次の2点である。表面プラズモン共鳴による非弾性散乱の散乱断面積は非常に小さいと推測される。もう1点は、吸収スペクトルから観測された表面プラズモンの共鳴ピークの幅が大きいため、非弾性散乱光のピークの幅も同様に大きいものと考えられる。そのため、金ナノロッドからの広帯域を持つルミネッセンスが大きな背景光となって非弾性散乱光の観測を困難にしていると考えられる。今年度は、この金ナノロッドからのルミネッセンスの強度を小さくするため、近赤外域に発振波長を持つレーザーを励起光源として用い、実験を続ける。この実験に加えて、既に多くの観測報告のある半導体へテロ界面に存在する2次元電子ガス(2DEG: 2 Dimensional Electron Gas)の表面プラズモン モードによる非弾性散乱光の検出を目的とした実験に立ち戻る。

Causes of Carryover

次年度使用が生じた理由は、目的としていた金ナノロッドの表面プラズモンによる非弾性散乱光が観測できなかったことにより、成果発表のための旅費と論文投稿のための費用の支出がなかったこと。それに加えて、実験の進捗が遅れていることにより消耗品の購入が少なかったためである。繰り越した予算は上記の旅費、論文投稿のための費用に充当する。さらに、近赤外レーザー励起用の光学系を組むための物品費として充当する。また、物品費は2DEGデバイスの購入および加工に必要な費用にも充てる。