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物質のエネルギー状態を精密に測定し、物質の電子状態や原子分子の結合・振動状態を把握・理解することは物質科学の基本である。そして、定量的精密計測による物性情報は工学的に応用・活用され、現在までに多様なデバイスや機能性材料の創出に大きく寄与してきた。このように、理工学の発展には物質のエネルギー状態を正確に測定して理解することが出発点となる。本研究では、極限的な分光計測技術によってナノメートル・単分子レベルで繰り広げられるダイナミカルな科学を可視化し、その物理化学の理解を深めることが研究の目的である。本研究では、この目的を達するために必要なツールを開発する。
ナノメートル空間分解能を持ち、非破壊的手段によってリアルタイムで分光分析が可能な技術基盤の研究および装置開発を行った。本研究では、物理シミュレーションを活用した光学設計・機械設計を徹底活用し、リソースを最大限利活用した。自作の走査プローブ顕微鏡と曲率半径～10nm のプローブ（探針）先端からの散乱光を高効率で集光する光学系も構築し、高速ナノスケール分光計測技術の技術開発基盤を固めた。更に、類似研究で利用されている薄膜試料を用いて既知の測定結果と比較可能なスペクトルを得、構築した技術・設備を評価した。
この開発において、プラズモン共鳴を利用した高効率・高安定・広帯域・長寿命のナノ光プローブを創出し、金単結晶表面に配列させた単分子膜を用いたデモンストレーションを行った。ナノ光プローブによる探針増強ラマン分光で毎秒のスペクトル計測が一時間以上にわたって安定的に可能であることを実証した。また、単結晶ダイヤモンド基板における探針増強ラマン分光分析も行い、創出したナノ光プローブの電場増強度がこれまで報告のあるナノ光プローブと同等以上であり、実用に足ることを確かめられた。
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