2022 Fiscal Year Annual Research Report
超伝導センサーを用いたパッシブ型テラヘルツ光ナノスコピーの開発
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21H01340
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
有吉 誠一郎 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 准教授 (20391849)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
莅戸 立夫 富山大学, 学術研究部工学系, 准教授 (00261149)
廣芝 伸哉 大阪工業大学, 工学部, 准教授 (40635190)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | テラヘルツ/赤外材料・素子 / 超伝導材料・素子 / 超精密計測 / 高分子構造・物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、高分子や生体材料などのソフトマテリアルの基礎物性分野に新たな分析手法を提案し確立すべく、テラヘルツ帯で動作する近接場顕微鏡技術（テラヘルツ光ナノスコピー）を創出することにある。具体的には、鋭く尖った金属探針を試料表面に近づけ、その局所から自然放出されたテラヘルツ光をフーリエ変換分光器で変調し、高感度の超伝導センサー（力学インダクタンス検出器、MKID）アレイで検出するシステムの構築を目指している。
２年目は、前年度に構築した個々のハードウェアとソフトウェアを組み合わせた動作試験を行った。また、分担者の廣芝は本テーマに適した測定試料の最適化を行った。具体的なアクションアイテムは以下の２点である。
(D) システムの組合せ試験
まず「検出器部⇔ソフトウェア」の組合せ試験を行い、前年度から継続中の MKID 開発に加え、読出し系のシステムフローの予期せぬバグや問題点を洗い出した。次に「検出器部⇔分光器部」の組合せにより、MKID の光学特性（検出能や応答速度、周波数スペクトル等）を調査した。そして「検出器部⇔顕微鏡部」では、室温の試料表面からの局所的な近接場を確実に捉える手法を検討した。
(E) 測定試料の最適化
昨年度は、異なる分子量をもつポリスチレン‐メタクリル酸ブロック共重合体（PS-b-PMMA）の200、100、50 nm 程度のミクロ層分離構造を作製したサンプルを、テラヘルツ光観測に応じた最適化を行った。横方向の2次元的な解像度に加え、分光特性観測に必要なサンプルの厚みを同定した。また、通常の透過型テラヘルツ分光で PS のスペクトルが観測できる限界厚みを算出した。
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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
２年目終了時には計測システムを構成するハード・ソフトの組合せ動作試験により、テラヘルツ光ナノスコピー実現への技術的基盤をさらに築き、かつ、測定に適した試料を最適化しており、３年目に行うシステムの実証試験、および測定試料の物性評価の準備が整っているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる３年目は、ハードウェアからソフトウェアに至るトータルの動作試験により、様々なプローブ材料やMKIDを用いたパッシブ型テラヘルツ光ナノスコピーの優位性の実証を目指す。また、分担者の廣芝は本テーマに適した測定試料の物性評価を推し進める。具体的なアクションアイテムは以下の２点である。
(D) システムの実証試験
本計測システムはハードウェア（顕微鏡部、分光器部、検出器部）とソフトウェアに分類することができ、組合せ試験に際しては以下の３段階で推し進めている。まず、第１段階は「検出器部⇔ソフトウェア」の組合せであり、計測制御には National Instruments 社製 LabVIEW を用いてシステム最適化をさらに進める。次に、第２段階は「検出器部⇔分光器部」であり、MKID の光学特性（検出能や応答速度、周波数スペクトル等）の精密評価を行う。そして第３段階は「検出器部⇔顕微鏡部」であり、室温の試料表面からの局所的な近接場を捉えることでテラヘルツ光ナノスコピーの優位性の実証を目指す。
(E) 測定試料の物性評価
本年度は、前年度までに最適化した試料（ポリスチレン‐メタクリル酸ブロック共重合体）を用いて空間分解能の評価、検討を行う。また、独自の応用開拓として、有機半導体ナノ構造の物性評価によりテラヘルツ光学特性とナノ配向・集合体構造との関係性を明らかにすることを目指す。
本研究で推進する顕微分光イメージングシステムが実現すると、機能性高分子材料に固有の吸収スペクトル（指紋スペクトル）の起源解明や構造制御、新機能発現といった物性研究の新たな未来を切り拓くことが可能になると期待される。
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