| 研究課題/領域番号 |
22H00289
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分29:応用物理物性およびその関連分野
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
藤田 淳一 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10361320)
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| 研究分担者 |
嵐田 雄介 筑波大学, 数理物質系, 助教 (30715181)
吉田 昭二 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90447227)
茂木 裕幸 筑波大学, 数理物質系, 助教 (30845631)
赤田 圭史 筑波大学, 数理物質系, 助教 (50815892)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円)
2024年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
2023年度: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円)
2022年度: 20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)
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| キーワード | 超高速AFM / 励起子 / ２次元半導体 / タッピングAFM / FM変調 / ２次元材料 / 表面触媒反応 / 超高速時間分解型KFM計測 / パルストレイン / fsパルスレーザー / psパルスレーザー / Non-contact / K-AFM / フェムト秒パルスレーザー / 位相制御 / 時間原点 / 触媒反応 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、パルスレーザーの周波数空間に出現する離散的スペクトル列(コム)を用いた
位相制御によって高いQ値を持つ光熱振動型AFM探針振動制御技術を開発し、フェムト秒レーザーによるポンプ・プローブ技術と組み合わせた、超高速AFM可視化技術を創出する。探針振動で生じるドップラー効果による周波数変調を試料からの反射光と共鳴させて、探針の振動を高い精度でロックオンし、光熱励起振動を安定化させ、ポンプ光との時間原点を整合させる新規AFM制御技術を創出する。さらに本技術を用いて、TiO2の光触媒反応過程における活性領域変遷の可視化を目指し、空間と時間分解能とを両立させた触媒反応機構の解明にも取り組む。
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| 研究実績の概要 |
超高速AFM可視化技術においては、高いQ値を持つ光熱振動型AFM探針振動制御技術の開発と動作実証を行い、7MHzの熱レーザー励起において高Q値AFM探針振動を実証した。しかし、fs秒パルスレーザー照射によって振動する探針表面と基板からの反射から得られるコム共鳴分散は、特に大気中での探針振動の揺らぎ幅が大きく、コムロック共鳴を出す事が極めて困難であることが判明した。
そこで方針変更し、レーザー熱励起型の高振動数探針を用いたKFMモードを用い、カンチレバー振動と位相同期したピコ秒レーザーのパルストレインを用いて、超高速時間分解型のNon-contact KFM計測技術を開発を進めた。このピコ秒励起（ポンプ）パルスをトリガーとしたMoS2表面励起子、電荷のダイナミクスを観測する方向に修正した。
本年度はまず測定対象とするMoS2単原子層の試料を作製し、KFMモードを用いて形状と電位分布の評価を行った。2μm径の溝加工したSi基板上にAuをスパッタ蒸着したものを基板として、MoS2単原子層を転写することで溝上に中空のMoS2単原子層サスペンド構造を作製した。サスペンド構造上とその周辺でKFM測定した結果、サスペンド構造上ではその周辺のAu表面と接触したMoS2上と比べて200～400meVの電位の上昇が観測された。この電位の変化はAuとMoS2間の電荷移動が主な要因と考えられるが、サスペンド構造の電位にばらつきが大きくそれだけでは解釈できない。そのためKFM測定を行ったサスペンド構造に対して発光分光測定(PL測定)を行ったところ、励起子発光に由来するPLピークのエネルギーと電位に相関があり、PLエネルギーが低くなるほど電位の上昇が大きくなることが明らかになった。今後さらにサスペンド構造の形状や歪の影響を含めて解析していくことでその全容が解明されると期待できる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
パルスレーザーの導入が世界情勢の影響で、非常に遅延していることが進捗遅延の要因である。さらに、超高速AFM可視化技術においては、高いQ値を持つ光熱振動型AFM探針振動制御技術を開発し動作実証を行い、7MHzの熱レーザー励起において高Q値AFM探針振動が実証できた。しかし、fs秒パルスレーザー照射によって、振動する探針表面と基板からの反射から得られるコム共鳴分散は、特に大気中での探針振動の揺らぎ幅が大きく、コムロック共鳴を出す事が極めて困難であることが判明した。そこで、方針を変更して、探針と試料接を極力避けつつ、パルストレインによる超高速NC-KFM（ノンコンタクト ケルビンフォース顕微鏡M）技術開発に舵をとることにした。今年度の主な進展は測定する試料の作製とその物性の評価を行ったことである。現在計測を進めているMoS2単原子層サスペンド構造は面内に大きな電位分布を持つことから開発する時間分解NC-KFM装置の性能を評価する最初のデモ実験用の試料として適した試料であると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度は新たに導入されたピコ秒レーザーを使用し、レーザー熱励起型の高振動数探針を用いたNon-contact-KFMモードと組み合わせることで、カンチレバー振動と位相同期したピコ秒レーザーパルストレインを利用した超高速時間分解型のNC-KFM計測技術を開発する。このピコ秒励起（ポンプ）パルスをトリガーとした原子層半導体中の励起子、電荷のダイナミクスを観測する方向に修正する。そのため本年度研究計画の前半はまず時間分解計測光学系の構築を進める。具体的にはパルスジェネレーター(遅延信号発生装置)などを組み合わせることで、AFMカンチレバーの振動と同期したクロックを生成する。作成したクロックをトリガーとしたピコ秒光パルスをポンプとして用いることで光パルスとカンチレバーの振動サイクルの間の遅延時間の電気的制御を可能にする。また,レーザーパルストレインをAFM探針先端に照射するための集光光学系の構築を進める。このようにして組み上げた装置の性能評価や動作実証をMoS2単原子層サスペンド構造を試料として用いて進めていく。この超高速KFM技術は、大気中計測にも応用できるために、AFM計測環境を触媒計測環境に整合させれば、触媒活性点の動的な観測とともに、触媒反応機構解明にも発展できると想定している。
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