力検出を用いた近接場光学顕微鏡の超高分解能化と原子分解能観察の機構解明

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K19079
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 李 艶君 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (50379137)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2019-03-31
• キーワード: 走査プローブ顕微鏡

研究実績の概要

回折限界を越える高分解能な光学顕微鏡を開発しようとする試みが行われてきた。具体的には、光照射により物質に誘起された分極がその近傍につくる電磁場、すなわち、物質近傍に局在する光（近接場光）を検出し、高分解能な光学顕微鏡を実現しようとするものである。しかし、先鋭化した光ファイバや金属探針を用いる従来の方式では、原子分解能(0.2nm以下)での観察は困難であった。
申請者は、物質表面に局在する光（近接場光）の強度分布を力として検出するという新しい概念の光学顕微鏡について研究を行っている。この顕微鏡では、原子間力顕微鏡の力センサーである半導体探針を近接場光の中に挿入し、半導体探針の先端に電子・正孔対を生成させ、その結果生じる半導体探針先端の表面電位（光起電力）を力として検出する。この方式は、従来の方式で大きな問題となっていた光の伝搬損失がほとんどないため、高感度化が容易である。また、非常に先鋭な探針を使用できるため、高分解能化にも優れている。
まず、物質表面の構造と局在する近接場光の強度分布を原子スケールで超高感度・超高分解能に観察できることを実証した。試料表面としては、まず、原子レベルで清浄で平坦な表面を用いる必要があり、バルクのサファイアからなるプリズムを超高真空中で加熱処理することにより得られる(0001)表面を取り上げた。次に、サファイアプリズム表面上に吸着させたフタロシアニン分子を取り上げ、それらのπ軌道やσ軌道が、近接場光の3次元分布としてどのように撮像されるかを実験的に検討し、画像化機構を検討した。

研究成果

• [雑誌論文] Direct observation of atomic step edges on rutile TiO2(110)-(1×1) surface using atomic force microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: H. F. Wen, M. Miyazaki, Q. Zhang, Y. Adachi, Y. J. Li, Y. Sugawara
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 20 ページ: 28331-28337
  • DOI: 10.1039/c8cp06156d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement and Manipulation of the Charge State of Adsorbed Oxygen Adatom on Rutile TiO2(110)-1×1 Surface by nc-AFM and KPFM (2018)
  • 著者名/発表者名: Q. Zhang, Y. J. Li, H. F. Wen, Y. Adachi, Y. Sugawara, R. Xu, Z. H. Cheng, J. Brndiar, L. Kantorovich, and I. Stich
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 140 ページ: 15668-15674
  • DOI: 10.1021/jacs.8b07745
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Local characterization of mobile charge carriers by two electrical AFM modes: multi-harmonic EFM versus sMIM (2018)
  • 著者名/発表者名: L. Lei, R. Xu, S. Ye, X. Wang, K. Xu, S. Hussain, Y. J. Li, Y. Sugawara, L. Xie, W. Ji, Z.H. Cheng
  • 雑誌名: Journal of Physics Communications 巻: 2 ページ: 025013(10)
  • DOI: https://doi.org/10.1088/2399-6528/aaa85f
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stable Contrast Mode on TiO2(110) Surface with Metal-Coated Tips Using AFM (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Adachi, E. Arima, Y. Kinoshita, H. Nomura, Z. Ma, L. Kou, Y. Tsukud, Y. Naitoh, Y. Sugawara, R. Xu, and Z. Cheng
  • 雑誌名: Ultramicroscopy 巻: 191 ページ: 51-55
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.04.003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct visualization of Oxygen Reaction with Paired Hydroxyl on TiO2(110) Surface at 78 K by Atomic Force Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Adachi, M. Miyazaki, Y. Naitoh, Y. J. Li, Y. Sugawara
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 ページ: 17395-17399
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b06289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluorescence detection using optical waveguide collection device with high efficiency on assembly of nitrogen vacancy centers in diamond (2018)
  • 著者名/発表者名: S.W. Zhang, Z.M. Ma, L. Qin, Y.P. Fu, Y.B. Shi, J. Liu, and Y.J. Li
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 ページ: 013007(1-4)
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.11.013007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetometry for precision measurement using frequency-modulation microwave combined efficient photon-collection technique on an ensemble of nitrogen vacancy centers in diamond (2018)
  • 著者名/発表者名: Z.M. Ma, S.W. Zhang, Y.P. FU, H. Yuan, Y.B. Shi, J. Gao, L. Qin, J. Tang, J. Liu and Y. J. Li
  • 雑誌名: OPTICS EXPRESS 巻: 26 ページ: 382-390
  • DOI: org/10.1364/OE.26.000382
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Heterodyne Frequency Modulation in Photoinduced Force Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Yamanishi, Y. Naitoh, Y. J. Li, and Y. Sugawara
  • 雑誌名: Physical review applied 巻: 9 ページ: 024031(1-5)
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.024031
  • 査読あり
• [雑誌論文] KPFM/AFM imaging on TiO2(110) surface in O2 gas (2018)
  • 著者名/発表者名: E. Arima, H.F. Wen, Y. Naitoh, Y. Sugawara, Y. J. Li
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 29 ページ: 404001(1-6)
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aa815d
  • 査読あり
• [学会発表] Charge states of O2 adsorbed on rutile TiO2 surface by AFM/KPFS (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, Y. Adachi, H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Sugawara
  • 学会等名: 5th Global Nanotechnology Congress and Expo
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reversible bond formation between Oxygen atoms vis charge manipulation on rutile TiO2(110) surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, H. F. Wen Q. Z. Zhang, Y. Adachi, and Y. Sugawara
  • 学会等名: The 3rd Asia-Pacific Symposium on Solid Surfaces & Cross-Strait Symposium on Solid Surfaces (APSSS-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The study of local dipole moment and contact potential difference on TiO2(110) surface by AFM (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Z. Zhang, Y. Adachi, Y. Naitoh and Y. Sugawara
  • 学会等名: 24th World Nano Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The measurement of local dipole moment and local contact potential difference on rutile TiO2(110) surface by AFM with atomic resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, H. F. Wen Q. Z. Zhang, Y. Adachi, Y. Naitoh, and Y. Sugawara
  • 学会等名: Nano 2018 conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The measurement of local dipole moment and local contact potential difference on rutile TiO2(110) surface by AFM (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, H. F. Wen and Y. Sugawara
  • 学会等名: 13th International Conference and Exhibition on Materials Science and Engineering, 4th Global nanotechnology Congress and Expo
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The study of local dipole moment and contact potential difference on TiO2(110) surface by AFM (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Z. Zhang, Y. Adachi, Y. Naitoh and Y. Sugawara
  • 学会等名: 23rd International Conference on Nanomaterials and Nanotechnology
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 大阪大学大学院工学研究科精密科学・応用物理学専攻 ナノ物性工学領域 菅原・李グループ
  • URL: http://nanophysics.ap.eng.osaka-u.ac.jp/