|
表面プラズモンによって金属表面の近接場電界強度が大きく増大される表面電界増強効果は、nmオーダーの金属微粒子で顕著な効果が見られることが知られている。そこで本研究では、光照射下でのSTM探針直下の局所電界増強効果の性質を詳しく調べ、その結果をもとに、超高感度なナノスケール分光測定法を開発し、その有効性を実証することを目的とした。
今年度は以下のことを行った。
1.STMの探針直下ではトンネル電流が非常に局所的に流れることから、高い密度での電子励起が起きていると考えられる。このような状況での試料の振舞いを調べる目的で、昨年度、窒化ガリウム結晶の透過電子顕微鏡観察を行い、非常に高密度な電子照射下において、顕著な自己拡散が促進されることを見出し、この拡散促進の原因は温度上昇やは単純なはじき出しでは説明できず、電子励起によって促進が起きていることが結論された。今年度は、この自己拡散が生じている状態での高解像度透過電子顕微鏡像の動画記録を行い、この動画を計算機にとりこんで解析することにより、照射強度の増加に伴う拡散の増強は、個々の拡散種の拡散速度が増加するよりは、拡散種の密度が増加することにより生じていることがわかった。
2.走査トンネル顕微鏡(STM)において、探針試料間に数kHzで変調した光を照射した場合のトンネル電流には、電圧電流特性の二次微分と光電場の二乗に比例する変調信号が発生する。これとは別に、探針試料間のバイアスに周波数f_vで変調をかけると、それに対するトンネル電流の変調応答の2f_v成分には電流電圧特性の二次微分に比例した信号が現れる。この2種の信号を比較することにより、増強分も含めた探針直下での光電場増強度を定量的に見積もることができる。この原理に基づき、STM探針直下での光電場増強度測定システムをくみ上げ、グラファイト表面での探針直下光増強度のその場測定に成功した。この結果から以下のことがわかった。
(1)白金探針、タングステン探針いずれにおいても2桁以上の強い光増強度が測定され、通常よくつかわれる探針金属でも十分な電場増強効果を持つことがわかった。
(2)光電場増強の主な機構といわれる表面プラズモンから期待される電場増強度の計算値は、今回の波長域および探針金属では数十倍にとどまり、実験結果からプラズモン以外の増強機構も働いていることが示唆された。
|
