2019 Fiscal Year Research-status Report
貴金属ナノ粒子におけるプラズモン時空間挙動の直接観測とその光制御手法の確立
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19K15511
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
今枝 佳祐 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (30754717)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズモン / 金ナノ構造体 / 近接場分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属ナノ構造体に励起される自由電子の集団振動（プラズモン共鳴）は，ナノ構造体近傍において光電場磁場を劇的に増強することから幅広い分野での応用が期待されている。このプラズモン増強場の特性を制御することができれば，応用分野におけるパフォーマンスの向上に繋がると考えられる。本申請では，励起光の偏光および時間特性を変調することで金属ナノ構造体に励起されるプラズモン増強場の時空間特性を制御することを目標とする。本年度は，プラズモン増強場の時空間制御を実現する上で最適なナノ構造体を選定するために，ナノ構造体のサイズおよび形状がプラズモン共鳴モードの時空間挙動に与える影響を究明した。様々なサイズおよび形状の金ナノ粒子を化学合成し，これらに励起されるプラズモン共鳴モードの近接場イメージングを行なった結果，二次元マイクロプレートにおいて狭いスペクトル領域に複数の高次プラズモンモードが同時に励起されることが明らかとなった。また，観測されたプラズモン共鳴バンドのスペクトル解析から，マイクロプレートにおいて最低次モード（双極子モード）に比べてより長い寿命をもつプラズモン共鳴が励起されることがわかった。これらの観測結果は，プラズモン増強場の時空間制御を実行する上で，金マイクロプレートが最適な構造であることを示唆している。一方で，金マイクロプレートにおいて超短パルスを用いた二光子誘起発光を測定した結果，プレートの発光量子収率が非常に低く，プラズモン増強場の時空間特性を明瞭に観測することが困難であることがわかった。この問題を解決するために，酸化亜鉛や二硫化モリブデンなどの半導体マイクロ構造と組み合わせ，プラズモン増強場により増大した第二高調波信号を検出することで非線形近接場イメージングを行う計画である。
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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
初年度は，コヒーレント制御を実現する上で不可欠なプラズモンの時間的・空間的挙動を理解することを計画していた。当初の研究計画通り，様々なサイズおよび形状の貴金属ナノ構造体において静的および動的近接場分光計測を行うことで，金属ナノ構造体に光励起されるプラズモンの時間的・空間的挙動の体系的に理解が進みつつある。また，その過程でプラズモンのコヒーレント制御を取り組む上で最適だと考えられる貴金属ナノ構造体の選定についても概ね完了している。一方で，最適なナノ構造体(金マイクロプレート)の発光量子収率が低く，近接場二光子励起測定が困難であるという新たな問題が明らかとなったが，大きな非線形感受率をもつ半導体マイクロ構造体と組み合わせることで克服できると予想される。以上の状況から，本申請は概ね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，これまで得た知見をもとに金マイクロプレートに励起されるプラズモン時空間挙動の制御に取り組む計画である。当初，単一の貴金属ナノ構造体において非線形近接場計測を行い，プラズモン時空間挙動の制御に取り組む予定であったが，発光量子収率の問題から測定対象を半導体―貴金属ハイブリッド構造体へと変更する計画である。具体的には，化学合成した酸化亜鉛マイクロプレートもしくは二硫化モリブデンシート上に金マイクロプレートを分散することでハイブリッド構造を作製する。この構造体において超短パルス光源を用いた非線形近接場分光計測を行い，プラズモン時空間特性を究明する。また，空間光変調器および液晶スパイラルプレートを用いて超短パルス光の時間波形および偏光特性を変調することで，金マイクロプレートに励起されるプラズモン時空間挙動の制御に取り組む計画である。
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| Causes of Carryover |
当初，高額な空間光変調器の購入を計画していたが，予算の都合上購入を取りやめた。代替品として，より低価格な液晶スパイラルプレートを購入した。また，実験系に使用していた小型ファイバー分光器が故障したため，新たに代替品を購入した。以上の理由から，当初計画していた予算額との差が生じた。この差額については，研究を推進する上で必要となる試薬，光学素子などの消耗品の購入に使用する。
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