2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of metal research with ultrafast luminescence spectroscopy
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20K03823
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
末元 徹 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 客員研究員 (50134052)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉田 篤史 静岡大学, 工学部, 教授 (20334956)
小野 頌太 岐阜大学, 工学部, 助教 (40646907)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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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 / 非平衡電子系 / プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．装置の改良： ファイバーレーザー増幅器の出力を安定化するために、励起用半導体レーザー（LD)の電流を制御しているが、室温が大きく変動すると制御範囲を超えてしまい、結果として増幅器の出力が変動してしまう問題があった。これを解決するために、LDの温度を最適化する装置を設計・製作し、数日に亘って再調整なしに測定を継続できるようになった。
２．金ナノ構造体の発光： 金属の発光過程におけるプラズモンの役割を解明するために、金ナノ構造を静岡大（分担者杉田）にて作製し、吸収と発光のスペクトルの相関、励起と発光の偏光相関などを調べた。その結果、高温の電子正孔からの発光は表面プラズモンの分極を介して放出されていることが分かった。また励起の偏光と平行な偏光の発光が効率よく起こることから、エネルギー緩和した電子系が励起時の偏光のメモリーを保持していることが示唆された。
３．グレーティング構造からの指向性のある発光： 金グレーティング構造（電通大菅研究室から提供された）からの発光スペクトルが、観測する方向に依存して変化することを見出した。これは発光過程に関わる表面プラズモンの分散関係を反映したものと思われ、現在確認実験の準備を進めているところである。
４．マグネシウムにおけるバンド間遷移発光： これまで貴金属以外の金属ではバンド内遷移に対応する発光が現れることを示してきたが、マグネシウムにおける時間分解発光スペクトルの中に、バンド間遷移に対応すると思われる構造が重畳していることが示唆された。これについては、岐阜大（分担者小野）における計算結果と突き合わせることにより、バンド間遷移としての解釈を試みている。なお、理論と比較できる「内部スペクトル」を得るために必要な 赤外吸収スペクトルの測定は、東大物性研の共同利用制度を利用し、岡崎研究室の協力を得て行った。
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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
2020年度は、レーザー光源の大きな故障の他、COVID19の影響による登校自粛、共同研究の停滞、などのために計画の遂行が遅れていた。今年度は、検知器（アバランシェフォトダイオード）の故障のために、約2か月実験が中断したが、共同研究として進めている３つの研究項目である程度の進展があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
表面プラズモンを介した光吸収と発光のメカニズムの解明が本計画の一つの主要目標である。これに関しては、2021年度までに、サイズと形状が制御された金ナノ構造における発光のスペクトル、偏光相関、発光寿命、吸収熱量などの測定を行い、多くの情報を得ている。しかし、まだ包括的な描像を確立するには至っていない。今年度は、杉田グループにおいてナノ構造の形状を工夫した試料を作製し、プラズモンモード間のエネルギー緩和などを詳細に調べる計画である。グレーティングにおける伝搬型表面プラズモンを介した指向性のある発光は、当初の計画にはなかった新たな展開であったが、これを立証するためにグレーティングサイズや金膜厚の調整により、理論と比較し得るデータを集める計画である。これは菅研究室（電通大）との共同研究として推進する。
もう一つの大きな目標は、より広い範囲の金属群における発光の理解である。これまでに調べた10族から15族の金属元素に加え、今年度は、2族から8族に属するMg, Ti, Fe, Zr, Mo, W, Feの発光を観測した。その中でMgとFeは特異な振舞いをすることが見出されたが、解釈ができていない。これに関しては、理論家（小野）と協力して解明を進める予定である。また合金に関しては、ステンレス鋼、真鍮、Al系準結晶で発光を確認しているが、系統的な研究には至っていない。これに関しては、奥野研究室（電通大）の協力を得て、物質や組成比の範囲を広げる予定である。
以上のとおり、いくつかの研究項目で成果が出始めているが、今年度中にまとめることができない可能性もあるので、その場合は、研究期間を延長することも視野に入れている。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：参加を予定していたいくつかの学会がオンライン開催になったため、出張旅費が不用になった。
使用計画：国内学会の出張旅費に当てる。
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[Journal Article] Relaxation dynamics of hot electrons in the transition metals Au, Ag, Cu, Pt, Pd, and Ni studied by ultrafast luminescence spectroscopy2021
Author(s)
T. Suemoto, K. Yamanaka, N. Sugimoto, Y. Kobayashi, T. Otsu, S. Tani, and T. Koyama
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Journal Title
J. Appl. Phys.
Volume: 130
Pages: 025101-1,10
DOI
Peer Reviewed
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