| 研究課題/領域番号 |
17H04797
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
千賀 亮典 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (80713221)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ナノ材料 / 低次元材料 / 光学特性 / 分散関係 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、ナノ材料の光学特性と材料の原子構造とを一対一で対応付けることを目的とした、新たな材料評価手法の開発を進めている。昨年度までに既にカーボンナノチューブの局所的な光学特性を計測することに成功していたが、本年度は本手法をさらに二次元材料へと応用し、積層構造のわずかな違いがもたらす光学特性の変化を局所的に捉えることに成功した。二次元材料を組み合わせて新たな機能を創出する試みは、これまでにも多く行われているものの、局所的な構造と物性とを対応付けすることは困難であった。本研究では二つの異なる層の間での励起子及び電荷のやり取りが重ね合わせの角度によって大きく異なることを明らかにした。またこれまでの研究で光吸収スペクトルの運動量依存を計測することでさらに詳細な光学特性の理解が得られることがわかってきた。そこで本年度は光学特性に寄与する赤外から紫外を含めた幅広い周波数領域の吸収スペクトルに関して、その運動量依存を調べるための計測手法の開発に取り組んだ。電子線の入射角度と散乱角度を精密に制御することで、各種吸収スペクトルの運動量依存をナノメートルサイズの局所領域から取得できるようになった。これはシンクロトロンなどを使った既存の手法における空間分解能（数百ナノメートルからマイクロメートル）をはるかに上回るものである。実際に今年度の成果として二次元材料(WSe2)一枚の励起子分散やフォノン分散を世界で初めて計測することに成功している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
現在までに一次元半導体材料であるカーボンナノチューブ、二次元半導体材料である遷移金属ダイカルコゲナイドの局所光学特性評価に成功しており、当初の目的である電子顕微鏡を使った低次元材料の局所光学特性評価は達成されつつある。また実験で得られる電子エネルギー損失スペクトルの物理的な解釈及び光学定数との関係など基礎となる理論についても理解が深まった。これによって本研究で得られた局所的な物性と他の手法で得られるマクロな物性とを直接比較し、結び付けることも部分的に可能になってきた。このような異なるスケールでの現象を結び付けていく作業は物性発現メカニズムを理解するうえで必要不可欠であり、本研究で掲げる課題の一つでもあった。さらに議論を重ねる中で、材料の電子状態とそれに対応する光学的な性質をさらに詳しく理解するためには、電子エネルギー損失スペクトルの運動量依存（分散関係）が重要であることがわかった。そこで電子顕微鏡の中で励起子やプラズモン、フォノンといった準粒子の分散関係を得るための手法開発に取り組んだ。すでに既存の計測技術の空間分解能及び感度をはるかに上回る新たな手法を開発に成功し、世界初となる二次元材料一枚から励起子及びフォノンの分散関係測定を行った。これらの研究内容は当初の計画を超えたものであり、本研究の主題である光学特性のみならず、様々な物理現象の理解を深める重要な成果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
材料の局所的な光学特性を評価する手法として、これまでに電子顕微鏡法と電子エネルギー損失分光法を組み合わせたいくつかの手法を開発してきた。実際にカーボンナノチューブや遷移金属ダイカルコゲナイドなどの低次元材料に関して、欠陥等の非周期的構造における局所的な光学特性を評価できるようになった。また励起子だけでなく、フォノンやプラズモンといった他の準粒子に関してもそのエネルギーと運動量を計測することが可能になった。本年度はこれらの結果を踏まえ、発展課題として、準粒子同士の相互作用と、それらがもたらす各種物性への影響について、いくつかの現象に焦点を当て研究を行う。一例として光子とフォノンとの相互作用であるポラリトンを取り上げる。ポラリトンに関してはこれまでバルク材料を使った実験がほとんどで、ミクロなスケールでの挙動については理論計算がメインであった。本研究では二次元材料を使ったポラリトンの分散や強度の計測を行い、さらに材料の厚みや構造との関係について詳細な検討を行う。また電子、励起子、プラズモンなどが複雑に作用しあうインターカレーション材料についても引き続き準粒子の相互作用に焦点を置きながら光学特性を含めた物性評価及び構造との対応付けを行っていく。
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