2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on photothermal conversion dynamics by means of femtosecond transient absorption imaging microspectroscopy
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19K05211
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
石橋 千英 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 講師 (10506447)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 顕微過渡吸収分光 / 過渡吸収イメージング / 光ー熱変換過程 / 有機ナノ粒子・薄膜・ロッド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機固体は、電子・正孔移動、光エネルギー移動に加えて、高光子密度の光照射により複数の励起分子が同時に励起され、隣接励起分子間の相互作用により新たな光物性を示したり、迅速な無輻射遷移過程により熱が放出され、一瞬で局所的に温度が上昇したりする。本研究では、このような「電子・正孔、光エネルギーや熱が結晶中でどこまで伝播するのか、また結晶の形状（屈曲や湾曲の度合いなど）が伝播速度にどのような影響を与えるのか」をフェムト秒顕微過渡吸収分光法による３次元イメージング解析により詳細に解明する。
2019年度までに、過渡吸収イメージング解析が可能なフェムト秒時間分解顕微分光装置の構築した。構築した装置の性能は時間分解能350 fs、励起波長390-400nm、観測波長500-800 nm）、空間分解能はx60の空浸対物レンズを使用して330 nm、x100の油浸対物レンズを用いて190 nmである。特にXY方向への空間分解能の値は、プローブ光（あるいは励起光）の回折限界から見積もられる値よりも小さく、ポンプ光とプローブ光が空間的に重なっている部分でのみ過渡信号が得られる過渡吸収測定の利点を活かすことができた。
2020年度は、構築した装置を用いて、実際の励起状態緩和とその光ー熱変換過程の計測を行なった。観測対象には、フタロシアニンナノロッドの凝集薄膜と単一ナノロッドとし、その励起状態緩和過程のイメージング計測を行なった。凝集薄膜でも単一ナノロッドにおいても、励起場所ごとに励起状態緩和速度が異なることがわかった。この違いに関しては、凝集薄膜ではナノロッド間の相互作用が、単一ナノロッドではロッドの形状（サイズ）が緩和過程に強く影響していることがわかった。
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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
初年度ではナノメートルからマイクロメートルサイズの単一有機結晶における光化学反応のメカニズムやダイナミクスに対して、過渡吸収イメージング解析が可能なフェムト秒時間分解顕微分光装置（時間分解能350 fs、空間分解能最小で200 nm、励起波長390-400nm、観測波長500-800 nm）を構築した。２年目は、構築した装置を用いて、有機ナノ半導体の単一粒子、薄膜、コロイド状態での測定を行なっており、装置の性能に申し分がないことと、本研究の目的である単一有機結晶（主に銅フタロシアニンのナノロッド）の励起状態緩和ダイナミクスを明らかにした。さらに励起位置と観測位置が同じであるステージスキャン型のイメージング装置に加えて、励起位置と観測位置が異なるレーザースキャン型のイメージング装置の構築することができた。これらは当初の計画通りに進行している。
以上のことから、本研究課題は概ね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の今後の方策として、継続して光ー熱変換ダイナミクスの測定を試みる。まずは当研究室で液中レーザーアブレーション法により作製が可能な銅フタロシアニンのナノワイヤー（CuPc-NW）やキナクリドンナノ結晶（QA-NC）を測定対象とし、ガラス基板上に分散したCuPc-NWやQA-NCの励起状態緩和ダイナミクスに対する励起光強度依存性を行う。特に卓上原子間力顕微鏡により粒子の形状（結晶の湾曲度合い）を把握し、励起エネルギーがどのような時間スケールで伝搬するのか、どれくらいまで広がるのか解明を試みる。一方で、レーザー過渡加熱による新奇光反応探索のために、有機半導体ナノ粒子コロイド状態での光熱変換ダイナミクス過程の解明を試みる。試料には、ペンタセンや ジフェニルイソベンゾフラン誘導体に加えて、上記の結果と連動させるためにPc類やQA、さらには固体中で光反応を示すジアリールエテン類を用いる。得られる結果を統合して、レーザー過渡加熱の基礎現象と光反応に与える効果を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
2020年度において、購入予定の物品は予定通り購入できたが、新型コロナウィルスの影響で、参加を予定していた学会がオンライン学会に変更され、旅費が必要ではなくなった。そのために当該余剰金が生じている。この当余剰金は、次年度の研究計画で使用する予定である。次年度の計画の中心は、構築したシステムを利用して実際に実験データを取得し、その解析を行った上で、その成果の情報発信にある。そこで、余剰金は、成果報告を行うために必要な諸費用に、当該余剰金を充てる予定である。
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