2012 Fiscal Year Research-status Report
金属ナノ構造を利用した中赤外電磁場の増強と時空間制御
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24656045
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
芦原 聡 東京農工大学, 大学院工学研究院, 准教授 (10302621)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2014-03-31
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| Keywords | 応用光学・量子光工学 / 光物性 / 量子エレクトロニクス |
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| Research Abstract |
【研究目的】赤外吸収分光によって観測される振動スペクトルには、分子の構造・振動状態・周囲環境が敏感に反映される。そのため、時間幅の短い中赤外超短パルスを用いることにより、そうした分子の状態と周囲環境の変化を時間分解観察できる。また、赤外光は段階の振動励起を起こすことよって分子反応を誘導する、新しい反応制御法をもたらすと期待できる。しかし、既存の光源から得られる中赤外パルスのエネルギーが限られているため、赤外多光子遷移確率、ひいては分子ダイナミクスの検出感度や反応効率が制限される。この問題を解決するためのアプローチとして、我々は、微小金属における表面プラズモンによる電場増強効果に着目した。本研究では、中赤外域で共鳴を起こす金属構造を設計・作製し、電場増強を実現することを目的とした。
【実績の概要】
初年度は、中赤外域で電場増強を起こす金属ナノ構造の設計と作製を行った。
時間領域差分法による数値計算を用いて金属ナノ構造の形状が増強度と共鳴周波数にどのように影響するか調べた。長さ1-3ミクロンの金ロッド構造において、中赤外域で共鳴する局在型表面プラズモンが励起され、強い電場増強が起こることがわかった。ロッドの長さが長くなるにつれ、ピーク周波数が低周波数側にシフトし、線幅が細くなりつつ増強度のピーク値が高くなることがわかった。
数値計算で得られた知見をもとに、電子線リソグラフィによって金ロッド構造を作製した。FTIRによって作製した金属構造の消衰スペクトルを測定したところ、中赤外域でのプラズモン共鳴を確認できた。ロッドが長いほど共鳴ピークが長波長にシフトし線幅も細くなるといった傾向など、数値計算とよく一致する結果を得た。より高い増強度の期待できるナノギャップロッド構造の作製にも取り組み、40nm程度のギャップをもつ構造の作製に成功し、数値計算とよく一致する消衰スペクトルを得た。
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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
中赤外域で電場増強を起こす金属ナノ構造の設計と作製、および、赤外消衰スペクトル測定による基本特性評価がほぼ完了したことから、計画はおおむね順調に進展している、といえる。
また、電場増強度およびプラズモン時間応答を、数値計算によって明らかにした点、および、それらを定量的に評価する手法を複数検討した点でも評価できる。以上の成果により、二年目の実験研究がスムーズに進むものと期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
I．設計・製作した金ナノロッド構造に中赤外フェムト秒パルスを照射した際の電場増強度を定量的に評価する。金属ナノ構造に近接する単分子膜あるいは固体薄膜を利用し、その線形吸収の大きさから増強度を評価する。相補的な手法として、第二高調波発生をはじめとする非線形光学効果の利用も検討する。
II．金属中の束縛電子と自由電子の応答にナノ構造という空間制限効果が加わって、金属ナノ構造の分極応答が決まる。この応答とは、実効的な分極の時間応答であり、分極率あるいは誘電率の周波数依存性としても表現できる。FTIR測定により、既に周波数応答は測定できているが、局在プラズモンの時間応答を時間領域で評価する。具体的には、中赤外超短パルスを照射した際，金属ナノ構造から放射される電磁波の波形を測定することにより、局在プラズモンの時間応答特性を解明する。相補的な手法として、増強電場の強度自己相関計測も検討する。
III．局在プラズモンによって増強された電場の時間波形は、励起パルスの時間波形とプラズモンの時間応答関数の畳み込み積分で決まる。すると，励起パルスの電場波形を予め整形しておくことにより、思惑の波形をもった増強電場を金属近傍につくり出せると期待できる。時間が許せば、中赤外域の任意波形整形技術を利用して、金属近傍の電場波形の制御を試みる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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Research Products
(12 results)
