2020 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of electronic structure by aloof beam EELS
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19K22106
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
倉田 博基 京都大学, 化学研究所, 教授 (50186491)
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2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 電子エネルギー損失スペクトル / 価電子励起スペクトル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電子エネルギー損失分光法（EELS）を走査型透過電子顕微鏡（STEM）と組み合わせた局所電子分光法において、入射電子プローブを直接試料に照射しないアルーフビーム法によるスペクトル解析の確立を目指している。
初年度は、有機結晶であるAg-TCNQ薄膜に対してアルーフビーム法による価電子励起スペクトルを測定し、アルーフビームEELS法の特徴を明らかにした。特に、試料の電子線照射損傷がほとんど生じない計測が可能であることが明らかにした。また、電子プローブが通過する試料端からの距離、衝突係数に依存したスペクトル変化について理論計算も援用しながら解釈を行った。その結果、アルーフビーム条件においても200 kVの電子線はチェレンコフ損失が生じることが判明した。
当該年度は、金属ナノロッドの表面に励起される表面プラズモンポラリトン（SPP）と有機薄膜に励起される励起子との相互作用を調べる実験を行った。試料は、ポリオール還元法で合成した銀ナノロッドを炭素薄膜上に分散させたのち、銅フタロシアニン（CuPc）を真空蒸着した。SPPと励起子の相互作用を考察する際、両者の共鳴エネルギーが近接する必要がある。CuPcの励起子ピークは、薄膜単体のEELS測定から2.0 eVに観察された。これは変化することがないため、SPPと励起子の相互作用を調べるためには、銀ナノロッドのSPPの共鳴エネルギーを調整する必要がある。そのために、様々な直径と長さを有する銀ナノロッド単体に対しEELSを測定した結果、ナノロッドのアスペクト比が0.17～0.2の場合、SPPの2次のモードがCuPcの励起子の共鳴エネルギーに近接することが明らかになった。そこで、そのようなアスペクト比を有する銀ナノロッドを選択し、CuPcとの相互作用を調べた結果、SPPと励起子の結合を示唆するスペクトル変化を得ることができた。
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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
当該年度の研究で明らかになった点は、銀ナノロッドに励起したSPPとCuPc結晶の励起子は、互いの共鳴エネルギーが近接している場合には結合し、新たなモードを形成することが示されたことである。実験で得られたスペクトルを結合双極子モデルで解析した結果、銀ナノロッドのSPPとCuPcの励起子の結合エネルギーは50 meV程度と見積もられ、これは強結合モードが形成されていることを示唆している。当該年度は、結合に適した銀ナノロッドの形状の探索や試料作製も含めた実験条件の適正化に時間を要したため、EELS実験データがまだ十分ではなく、SPPと励起子のモード結合に特徴的な共鳴エネルギーの非交差現象を明確には捉えていない。このような現象を捉えることができれば、非交差によって生じる新たなモードはラビ分裂として帰属することが可能である。次年度は、スペクトル分裂の精度上げるために、より高いエネルギー分解能でのスペクトルデータの蓄積に努める予定である。このように、当初の計画から研究は少し遅れているものの、目指している結果が得られつつありおおむね順調に進展していると考えている。
さらに、上記の実験では、銀ナノロッドから電子プローブが離れた位置においても、SPPとCuPcの励起子が結合したスペクトルが得られている。これは、アルーフビーム条件で入射電子がSPPを励起し、SPPに付随した電磁場とCuPcが相互作用していると解釈することができる。このようなSPPの近接場と有機物との相互作用を高い空間分解能で明らかにすることは重要である。次年度には、金属/有機結晶界面におけるアルーフビーム条件でのSPP近接場と有機結晶の励起子の結合に関する研究を計画している。そのため、当該年度では界面におけるアルーフEELS励起確率の電磁場応答理論による計算も進めており、今後の研究の展開に繋げていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度は、衝突係数をパラメータとするアルーフビーム条件でのスペクトル変化について検討を行い、有機結晶のスペクトルを計測する場合は、遅延効果を考慮することが重要であることが明らかになった。また、当該年度は有機結晶の励起子と銀ナノロッドのSPPの相互作用に関する研究を行った。銀ナノロッドのSPPはロッドの両端で表面電子が反射し振動を繰り返す定在波モードであるため、励起モードとしては高次まで存在し、モードの次数によって共鳴エネルギーが異なるため、ロッドの形状とモードの次数を選択することで励起子とSPPの結合を調べることができた。これらの知見をもとに、次年度はアルーフビーム条件の下で、SPPと有機結晶の励起子を結合させることが可能かどうかの実験を行う。そのために、銀結晶と有機結晶の界面を作製し、その断面試料に対して、銀結晶側に電子プローブを入射するアルーフビーム条件でのEELS測定を行う。この系においては、銀結晶側に電子プローブを入射させ銀の二次元表面にSPP励起を生じさせる。境界のない二次元平面上に生じるSPPは連続的な分散関係を有するため、SPPの共鳴エネルギーを励起子エネルギーに適合させることは困難である。しかし、有機結晶との界面を作ることにより、界面から衝突係数だけ離れた点に入射した電子は、衝突係数の逆数に依存する波数を有するSPPを励起し、その表面電磁場が界面において反射されて定在波モードが形成されると期待できる。したがって、衝突係数を変化せることで、SPPの波数すなわち共鳴エネルギーを制御することができるため、励起子との結合が可能になる。銀ナノロッドの実験と並行して、異なる系に対するSPPと励起子の結合に関する実験を行う。
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