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2015 Fiscal Year Research-status Report

光駆動ファノ共鳴ダイナミックモード原子間力顕微鏡

Research Project

Project/Area Number 26600037
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

笹木 敬司  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00183822)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords原子間力顕微鏡 / ファノ共鳴 / 光駆動 / 超解像光イメージング
Outline of Annual Research Achievements

カンチレバーの共鳴振動を利用したダイナミックモード原子間力顕微鏡(AFM)は、力感度が高く、生体などの軟らかな試料、吸着がある表面や液中の試料等の観測が可能であり、また、高い空間分解能で高精度な計測を実現できるので、生命科学や有機材料科学など様々な分野で活用されている。ダイナミックモード原子間力顕微鏡(AFM)の高分解能特性を最大限に引き出すためには、カンチレバーの振動をできるだけ抑制し、表面近傍の原子間力・分子間力を高感度に検知することが重要である。また、探針に接着した分子と試料表面の相互作用や吸着・静電気力の解析においても、探針-試料間距離の変動は小さいことが要求される。本研究では、カンチレバーを共鳴振動周波数で光駆動したときに探針が静止する無振動ダイナミックモードAFMを世界に先駆けて開発している。本システムは、強度変調した集光レーザーをカンチレバーの特定の位置に照射して複数の振動モードを熱的に励振し、広帯域振動モードと狭帯域共鳴振動モードの打消し合い干渉により振動が完全に抑制されるファノ共鳴現象を利用した新奇なアイデアに基づくAFMである。共鳴ピークで振動振幅をゼロに制御する零位法であるため、力感度・空間分解能を大幅に向上することができる。本AFMを散乱型近接場光学顕微鏡に応用して、シングルナノメートルスケールの構造を持つ局在プラズモン場の高感度・高分解能計測の実現を目指して研究を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

開発した光駆動ファノ共鳴ダイナミックモードAFMに全反射照明光学系および高感度散乱光検出系を導入した散乱型近接場光学顕微鏡システムを試作した。本システムは、試料が形成する近接場光(局在光)をAFM探針により散乱させて検出し、シングルナノメートルの分解能で形状像と近接場光学像を同時に計測する。また、白色光照明と分光検出系を組み込むことにより、ナノスポットにおけるスペクトル観測も可能とした。これらの高精度・高分解能計測は、無振動ダイナミックモードによって初めて実現することができた。また、遷移双極子モーメントの大きい分子集合体(J会合体等)を金ナノギャップ構造体に修飾して、ギャップ中の分子集合体の発光・ラマン散乱分光分析を行い、局在プラズモン場と分子集合体の強結合プロセスを明らかにした。さらに、光駆動ダイナミックモードAFMの特徴を活かして、液中のナノイメージングを試みる。金ナノギャップ構造体に色素分子や量子ドットを分散した溶液を滴下し、局在プラズモンの放射圧による分子・ナノ粒子の構造形成をシングルナノメートル分解能で解析した。

Strategy for Future Research Activity

平成28年度は、開発した光駆動ファノ共鳴ダイナミックモードAFMの高空間分解能化を目指し、電子線描画装置を用いたリソグラフィー技術により作製した金ナノギャップ構造体を用いてギャップにおけるプラズモン場をナノスケールでイメージングし、性能を評価した上で電場の増強度や局在特性、高次プラズモンモードの空間分布等を定量的に解析する。また、関連する研究者との議論を深め、光駆動ファノ共鳴ダイナミックモードAFMの将来像、特に、ナノ空間における新奇な光物理・光化学現象の研究や局在プラズモン研究、更には光機能デバイスや光エネルギー変換システム研究への展開について検討し、我々の構想をまとめる。

Causes of Carryover

当初計画では、当研究室において開発した散乱型近接場顕微鏡を流用し、光駆動ファノ共鳴を用いたAFMの高空間分解能化を検証する予定であった。しかし、平成27年12月にAFMの制御装置が故障し、販売元の会社変更等に伴い、装置の修理が難航しており、少なくとも年度一杯の期間が必要となる見通しとなった。この装置は本課題の根幹をなす装置であるため、修理に伴う実験中断に伴い、研究期間の延長を希望するものである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

AFMの制御装置の修理完了後、当研究室において開発した散乱型近接場顕微鏡を流用し、光駆動ファノ共鳴を用いたAFMの高空間分解能化を検証する予定である。

  • Research Products

    (16 results)

All 2016 2015

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Toward single-mode random lasing within a submicro-metre-sized spherical ZnO particle film2016

    • Author(s)
      R. Niyuki, H. Fujiwara, Y. Ishikawa, N. Koshizaki, T. Tsuji and K. Sasaki
    • Journal Title

      Journal of Optics

      Volume: 18(3) Pages: 035202/1-6

    • DOI

      10.1088/2040-8978/18/3/035202

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nanoscale Color Sorting of Surface Plasmons in a Dou-ble-Nanogap Structure with Multipolar Plasmon Excita-tion2015

    • Author(s)
      Y. Tanaka, M. Komatsu, H. Fujiwara and K. Sasaki
    • Journal Title

      Nano Lett.

      Volume: 15 Pages: 7086-7090

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.5b03147

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Two-photon excited fluorescence from a pseudoisocyanine-attached gold tip via a plasmonic-photonic hybrid system2015

    • Author(s)
      F. Ren, H. Takashima, Y. Tanaka, H. Fujiwara and K. Sasaki
    • Journal Title

      Opt. Exp.

      Volume: 23(17) Pages: 21730-21740

    • DOI

      10.1364/OE.23.021730

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Nano-vortex fields formed by designed plasmonic structures2015

    • Author(s)
      K. Sasaki, R. Takei, and K. Sakai
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015(Pacifichem 2015)
    • Place of Presentation
      Hawaii(USA)
    • Year and Date
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The origins of resonance-controlled ZnO random laser2015

    • Author(s)
      R. Niyuki, H. Fujiwara, T. Nakamura, T. Tsuji, and K. Sasaki
    • Organizer
      Asia core stsudent meeting 2015
    • Place of Presentation
      Osaka University(Suita, Osaka)
    • Year and Date
      2015-12-08 – 2015-12-09
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Random lasing within a two-dimensional ZnO nanorod array fabricated by a laser-induced hydrothermal synthesis2015

    • Author(s)
      T. Suzuki, R. Niyuki, H. Fujiwara, K. Sasaki
    • Organizer
      The 4th International Workshop on Microcavities and Their Applications (WOMA2015)
    • Place of Presentation
      Hokkaido University(Sapporo, Hokkaido)
    • Year and Date
      2015-12-01 – 2015-12-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Characteristic analysis of resonance-controlled ZnO random laser2015

    • Author(s)
      R. Niyuki, H. Fujiwara, T. Nakamura, T. Tsuji, and K. Sasaki
    • Organizer
      The 4th International Workshop on Microcavities and Their Applications (WOMA2015)
    • Place of Presentation
      Hokkaido University(Sapporo, Hokkaido)
    • Year and Date
      2015-12-01 – 2015-12-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two-photon excited fluorescence by efficient localized plasmon excitation via a fiber-coupled microspherical cavity2015

    • Author(s)
      S. Onodera, F. Ren, H. Takashima, H. Fujiwara, and K. Sasaki
    • Organizer
      The 4th International Workshop on Microcavities and Their Applications (WOMA2015)
    • Place of Presentation
      Hokkaido University(Sapporo, Hokkaido)
    • Year and Date
      2015-12-01 – 2015-12-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nano-sized whispering gallery modes of designed plasmonic structures2015

    • Author(s)
      K. Sasaki
    • Organizer
      The 4th International Workshop on Microcavities and Their Applications (WOMA2015)
    • Place of Presentation
      Hokkaido University(Sapporo, Hokkaido)
    • Year and Date
      2015-12-01 – 2015-12-04
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ZnO nanorod array random laser fabricated by a laser-induced hydrothermal synthesis2015

    • Author(s)
      T. Suzuki, R. Niyuki, H. Fujiwara, and K. Sasaki
    • Organizer
      The 16th Rise-Hokudai International Symposium
    • Place of Presentation
      Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo(Sapporo, Hokkaido)
    • Year and Date
      2015-11-10 – 2015-11-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on origins of resonance-controlled random lasers2015

    • Author(s)
      H. Fujiwara, R. Niyuki, and K. Sasaki
    • Organizer
      The 16th Rise-Hokudai International Symposium
    • Place of Presentation
      Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo(Sapporo, Hokkaido
    • Year and Date
      2015-11-10 – 2015-11-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Double threshold behavior in a resonance-controlled ZnO random laser2015

    • Author(s)
      R. Niyuki, H. Fujiwara, T. Nakamura, Y. Ishikawa, N. Koshizaki, T. Tsuji, and . Sasaki
    • Organizer
      Frontiers in Optics / Laser Science
    • Place of Presentation
      San Jose(USA)
    • Year and Date
      2015-10-18 – 2015-10-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quadrupole Field in Plasmonic Crystal2015

    • Author(s)
      K. Sakai, T.i Yamamoto, T. Omura and K. Sasaki
    • Organizer
      Frontiers in Optics / Laser Science
    • Place of Presentation
      San Jose(USA)
    • Year and Date
      2015-10-18 – 2015-10-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Plasmonic nano-shaping and nano-manipulation2015

    • Author(s)
      K. Sasaki
    • Organizer
      XVIIIth International Krutyn Summer School 2015
    • Place of Presentation
      Krutyn(Poland)
    • Year and Date
      2015-09-27 – 2015-10-03
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Coupling between Photonic Microcavity and Plasmonic Nanocavity2015

    • Author(s)
      K. Sasaki
    • Organizer
      The36th PIERS in Prague
    • Place of Presentation
      Prague (Czech Republic)
    • Year and Date
      2015-07-06 – 2015-07-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multipole resonances in plasmonic crystal2015

    • Author(s)
      K. Sakai, K. Nomura, T. Yamamoto, T. Omura, K. Sasaki
    • Organizer
      The 2nd Optical Manipulation Conference(OMC) '15
    • Place of Presentation
      PACIFICO Yokohama(Yokohama, Kanagawa)
    • Year and Date
      2015-04-22 – 2015-04-25
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-01-06  

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