| 研究課題/領域番号 |
15F15744
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
三宮 工 東京工業大学, 物質理工学院, 講師 (60610152)
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| 研究分担者 |
WADELL CARL 東京工業大学, 物質理工学院, 外国人特別研究員
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| 研究期間 (年度) |
2015-11-09 – 2018-03-31
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| キーワード | プラズモニクス / 電子顕微鏡 / カソードルミネセンス |
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| 研究実績の概要 |
透過型電子顕微鏡（TEM）は、材料、生物、医療などの応用分野から、基礎物理・化学の分野まで広く用いられている。近年では、サブオングストローム分解能を持つTEMが普及し、その場観察手法も提案されてきており、より多くの現象が解明され始めている。一方で、TEMでは高エネルギー電子線を用いるため、電子線による観察対象の損傷が無視できない。この電子線損傷により、観察対象の変化が本質的なものか、電子線損傷かを見分けられない。本研究では、プラズモニックセンシングを応用し、TEMにおける電子線の影響を定量的に解析することを目的とする。
平成27年度には、自己組織化による、ナノ温度センサー粒子の開発に成功した。
28年度からは、センサー感度の向上を目指し、二種の相分離系の組成からなるハイブリッドナノ粒子の作製を試みた。Ag-Cu粒子を前年度に確立した自己組織化による手法で作製した。これらの光学特性を評価し、光学センサーとしての可能性を検討した。この過程で、このハイブリッドナノ粒子は特異な光学特性を発現することを見出し、走査型透過電子顕微鏡による、エネルギー分散分光、電子線エネルギー損失分光、カソードルミネセンスにより、３次元的な組成と局所的な電場、共鳴を測定した。
さらに、ハイブリッドナノ粒子の特異な光学特性を有限要素法による電磁場シミュレーションにより解析した。シミュレーションにより実験結果はおおむね再現された。シミュレーションにおける吸収エネルギーの解析では、AgとCuのそれぞれの領域で、単体粒子に比べてはるかに大きいエネルギー吸収が見られた。この特性は触媒・エネルギー変換等に応用可能である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
１．センサー粒子の改良（ハイブリッドナノ粒子の作製） ： 平成27年度中に確立した自己組織化を用いた貴金属ナノ粒子をさらに改良し、相分離した2種類の金属からなるハイブリッドナノ粒子の作製に成功している。自己組織化を用いるため、これらはcmオーダーで簡便に作製可能である。2種の異なる材料を接合していることで、誘電率の違い、電子密度の違い、熱膨張係数の違い、化学ポテンシャルの違いから、単一金属からなる粒子とは異なる光学特性、温度特性を期待した。
２．ハイブリッドナノ粒子の発光の確認 ： 走査型透過電子顕微鏡とカソードルミネセンスを組み合わせた測定法により、作製されたAg-Cuハイブリッド・ナノ粒子からのプラズモン発光を測定した。AgとCu側で異なるエネルギーで光学共鳴を示し、非対称な電場分布を呈することが、ナノスケールの電場分布測定により明らかになった。さらにこれらは指向性を持つことも確認された。
３．シミュレーション ： ハイブリッドナノ粒子の特異な光学特性をシミュレーションにより解析した。解析においても、AgとCu部分で異なるエネルギーで光学共鳴を有することが示された。異種粒子の接合により、それぞれの共鳴エネルギーにおいて、強い吸収の増強がみられた。これらはエネルギー変換や、触媒反応増強への応用が期待できる。
４．ハイブリッドナノ粒子のEDS-EELSによる評価 ： ハイブリッドナノ粒子の３次元的な構造と、組成の分布を走査型透過電子顕微鏡とエネルギー分散分光、トモグラフィーにより解析を行い、さらに、エネルギー損失分光法により、光学エネルギー帯における局所的な吸収・散乱スペクトルを測定した。これらは先のカソードルミネセンス測定の補完的なデータとなる。
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| 今後の研究の推進方策 |
１．均一粒子：ナノディスク作製
これまでに行ってきた自己組織化による粒子では、必ずサイズ分散があり、平均的な光学特性と、カソードルミネセンスで測定する単一粒子の測定では、異なる結果を示す場合が多い。そのため、均一なサイズをもつ金属粒子の作製が必要となる。平成29年度はコロイダルリソグラフィを応用し、ナノディスクを大量生産することを第一目標とする。これにより光学測定と、カソードルミネセンス測定を正確に対応付けることができるようになる。また、カソードルミネセンス測定では、基板からの発光が信号の邪魔になる可能性があるため、基板の無い、自立膜上にナノディスクを分散することにも挑戦する。これまでナノポア・ナノキュベット作製で用いてきた基板剥離技術を複合することで、ナノディスクを非常に薄い自立薄膜上に分散する。
２．高感度ナノディスクセンサによる局所温度測定
上記のナノディスクでは、自己組織化粒子に比べ、膜厚・材料配置などのパラメタの自由度があるため、温度感度のエンジニアリングが可能となる。これまでに立ち上げたカリブレーション装置と組み合わせ、さらに高感度に局所温度測定を行う予定である。特に、これまで作成してきたAg-Cuハイブリッドナノ粒子において、AgとCuの並び方向を全粒子について一定にすることを目指す。これにより、マクロな測定でも動作するナノ指向性アンテナとしても用いることができる。光学センサーとしても特定の方向から光を照射することでより高感度に測定が可能となる。
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