2013 Fiscal Year Annual Research Report
コロイダル量子ドットを用いたアクティブ・プラズモニクスの創成
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25286007
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高原 淳一 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90273606)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | プラズモニクス / 量子ドット / プラズモニック導波路 / 自己組織化 |
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| Research Abstract |
コロイダル量子ドット（CQD）中の励起子はその近接場に置かれた表面プラズモン・ポラリトン（SPP）との結合効率が高く、プラズモニクスにおけるカップラー、光源あるいは検出器として高い潜在能力を有している。また、増幅媒質や変調媒質としての応用も可能である。
本研究はCQDをプラズモニック導波路（PWG）上に人工的に配置し、励起子と導波路を伝搬するSPPとの相互作用の解明を通じてCQDを用いた表面プラズモンの光源、増幅、変調等を実現する。これにより、アクティブ・プラズモニクスの基礎を築くことを目的とする。
今年度は、カルボキシル基修飾されたCdSe/ZnSコアシェル型CQDを用いてPWGとの融合系の実現ため、２種類の配置制御手法を試みた。一つはトップダウン手法であり、レジスト膜のパターンを用いる方法である。それに加えてもう一つはボトムアップ手法によるものである。トップダウン法では、電子ビーム露光によりレジストあけた穴にCQDをスピンコートにより入れ込み、親水性処理を行ったPWG上にCQDをランダムに多層積層した。しかし、本手法では層数の制御が困難であった。当初計画ではボトムアップ手法としてナノディップペンによるCQDの直接塗布による単層膜の作製を予定していたが、当初予想より大きなサイズのものしかできず中止した。その代わりストレプトアビジン修飾されたCQDとビオチンの強い結合を利用した自己組織化パターニングによるCQD単層膜の作製に成功した。
上の配置制御技術を用いて表面プラズモン光源を作製した。発光スペクトル計測のため新規に高感度冷却CMOSカメラとファイバ分光器を導入し、光学系の構築を行った。この光学系により、CQDの光励起を用いて表面プラズモンを直接励起し、偏光依存性のない等方的な表面プラズモン光源となっていることを確認した。さらにこれを用いて伝搬距離を実験的に調べることに成功した。
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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
本研究では（１）コロイダル量子ドット（CQD）とプラズモニック導波路（PWG）の融合系の構築、（２）CQD-PWGの光結合による表面プラズモン光源の実現、および（３）CQD-PWG結合系を用いた光機能の実現（変調や増幅等）を目的としている。
２５年度において、（１）の実現ための配置制御技術として２つの手法を試みた。一つは通常のトップダウンの手法であり、電子ビーム露光によるレジスト膜のパターン形成を用いる方法である。それに加えてもう一つはボトムアップ手法によるものである。トップダウン法では、レジストに穴をあけてCQDをスピンコートにより入れ込むことにより、表面プラズモン光源の実現に成功した。しかし、本手法では層数の制御が困難であった。当初計画ではボトムアップ手法としてナノディップペンによるCQDの直接塗布による単層膜の作製を予定していたが、当初考えていたより大きなサイズのものしかできず中止した。その代わりストレプトアビジン修飾CQDとビオチンの自己組織化パターニングを利用したCQD単層膜の作製に成功した。
（２）の表面プラズモン光源の実現のため、新規に高感度冷却CMOSカメラとファイバ分光器を導入し、発光スペクトル計測のための光学系の構築を行った。この光学系により、CQDの光励起を用いて表面プラズモンを直接励起し、偏光依存性のない等方的な表面プラズモン光源を作製し、伝搬距離を実験的に調べることに成功した。
以上のように、本年度はCQDの配置制御技術を確立し、これを利用して光励起による表面プラズモン光源の実現に成功した。このことから目的のうち（１）と（２）を達成することができたので、現在までおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
２５年度にコアシェル型コロイダル量子ドット（CQD）のCdSe/ZnSを銀薄膜上に配置し、光励起による偏光無依存な表面プラズモン・ポラリトン（SPP）の光源を実現した。２６年度からはSPP光源の多色化などをすすめてさらにこれを発展させ、スラブ型プラズモニック導波路の長距離伝搬モード（Long-Range Surface Plasmon Polariton: LRSP）を利用したプラズモン回路へ応用する。また、機能性導波路へむけてLRSPの伝搬距離の改善を進めるとともに、曲がり、分岐、増幅などの基本的な機能の実現を目指す。これにより量子ドットを用いたアクティブ・プラズモニクスの基礎を確立する。
プラズモニック導波路の作製とCQDの配置制御は大学院生の樋口、長崎、貝嶋、Liuが担当する。光計測は主に学振特別研究員DC1の宮田を研究協力者として参画させ行う。研究代表者の高原がシミュレーションを担当する。高原は週１回の研究ミーティングを通じてこれら全体を統括する。テーマの詳細は以下の通り。
１）プラズモニック導波路の低損失化と機能化（担当：樋口、長崎）機能性導波路のための準備として、スラブ型プラズモニック導波路の線幅を小さくすることにより、LRSPの伝送損失の低減を目指す。また、曲がりや分岐などの集積化に必要となる構造をもたせる。
２）SPP光源の多色化（担当：貝嶋、宮田）サイズの異なるCQDを用いて、多色のSPP光源を作製する。
３）SPPの増幅（担当：Liu、高原）励起光をプラズモニック導波路の中間部に配置したCQD領域に照射することにより、SPPの損失を低減したり増幅させたりする。このため反射型の暗視野顕微分光システムを備品として新規導入し、共焦点光学系が使用できるように改造する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究を進めていく上で、必要に応じて執行したため、当初の見込み額と執行額は異なったが、研究計画に変更はなく、前年度の研究費も含め、当初の予定通りの計画を進めていく。
次年度使用額は22,970円と大きな金額ではないので、使用計画は当初の予定と変更はない。２６年度は、備品として顕微分光システムを導入する予定であるので、消耗品と合わせて物品費として計上する。また、成果発表のための旅費、謝金をはじめ論文投稿料としてその他を計上する予定である。
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