| 研究課題/領域番号 |
21K04845
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| 研究機関 | 公益財団法人高輝度光科学研究センター |
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研究代表者 |
福山 祥光 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 研究員 (20332249)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | ナノ構造物性 / 微粒子トラップ Ｘ線回折 |
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| 研究実績の概要 |
近年、金属ナノ粒子の特異な構造や光学特性が注目されており、その特性は結晶サイズ、装置や粒子同士の接触、粒子が分散された環境(溶媒)に強く影響されることが知られてきた。これまで金属ナノ粒子の研究は主にナノ粒子の集団に対して行われてきた。しかし、サイズや形状でその物性が変化してしまうナノ粒子の性質を解明するためには、ナノ粒子1粒に対する測定及び解析が必須である。しかし孤立した金属ナノ粒子1粒に対する測定では確立した試料保持法がないためにその研究は困難を極めている。本研究では、ラゲール・ガウスモード（LGモード）のレーザーを用いて金属ナノ粒子1粒を空気中に非接触でトラップし、放射光X線マイクロビームを照射することにより、金属ナノ粒子1粒のX線回折像を測定する。また、小型分光器を用いて金属ナノ粒子1粒の光学特性を同時に測定する。金属ナノ粒子1粒の接触効果・粒径・結晶構造と光学特性の関係を明らかにし、従来の多粒子に対する測定では得られなかった情報を得る。
試料粒径が100nm程度の金属ナノ粒子1粒のX線回折実験は、世界的に見ても前例がない。本研究では、空気中においてLGモードのレーザー光を用いて金属ナノ粒子1粒のトラップを実現し、このトラップされた粒子に対するX線回折装置を開発している。金属ナノ粒子は断面の強度分布がドーナツ状のLGモードのレーザー光とプラグ用レーザー光で捕捉する。トラップ用のLGモードのレーザー光は、波長532nmのエルミート・ガウスモード（EGモード）のレーザーの出力をボーテックスレンズでモード変換して生成している。また、ファイバー入力式小型分光器を用いて、空気中に非接触でトラップされた金属ナノ粒子1粒の分光システムを開発した。
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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
令和3年度には、金属ナノ粒子1粒のトラップを実現するためのLGモードのレーザー光の整備とトラップ装置を作成した。令和4年度には、粒径の白金ナノ粒子を用いたトラップ条件の探索、ファイバー入力式小型分光器を用いて金属ナノ粒子1粒の分光システムを開発した。また、トラップした金属ナノ粒子1粒に放射光X線マイクロビームを照射しX線回折像を測定するための装置開発にも着手している。
屈折が支配的な誘電体ナノ粒子は光電場の強い方向に引かれるため、EGモードのレーザー光をレンズで集光することにより、その焦点に粒子を捕捉することが可能である。一方、反射が支配的な金属ナノ粒子では、光の輻射圧が斥力となるために、EGモードのレーザー光では粒子を捕捉できない。本課題では、断面の強度分布がドーナツ状のLGモードのレーザー光とプラグ用レーザー光で粒子を捕捉している。トラップ用のLGモードのレーザー光は、波長532nmのEGモードのレーザーの出力をボーテックスレンズでモード変換して生成した。
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| 今後の研究の推進方策 |
金属ナノ粒子1粒に対するトラップ条件の最適化とX線回折像を測定するための装置開発を完了させる。また、金属の種類によってトラップ用レーザー光の最適な波長は異なるため、トラップ用レーザーの多波長化を進める。具体的には、現在保有する波長1064nmのレーザーに対応するボーテックスレンズ（今年度予算で購入予定）を用いてLGモードに変換し、トラップ用レーザーとする予定である。
しかし、昨今の物価上昇に伴いボーテックスレンズの価格も上昇しており、予算内での購入が不透明な状況となっている。引き続き代替品や代替業者を探すが、予算内での購入が困難な場合、多波長化の予定を変更して、様々な金属ナノ粒子や誘電体ナノ粒子に対するトラップ条件を最適化するための数値計算を行う。また、将来的に予定しているナノ粒子1粒の単結晶X線回折測定を見据え得て、トラップしたナノ粒子の回転同に対するシミュレーションも行う。
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