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2014 年度 実績報告書

ハイブリッドプラズモンによる近接場ラマン顕微鏡の高感度高帯域化

研究課題

研究課題/領域番号 25286008
研究機関大阪大学

研究代表者

VERMA Prabhat  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60362662)

研究分担者 齊藤 結花  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90373307)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードナノプローブ / ナノマイクロ科学 / ナノ構造物理 / 近接場光学顕微鏡
研究実績の概要

In this project, we proposed to develop an extremely sensitive near-field Raman microscope based on plasmon hybridization of two metallic nanostructures- a nano-tip and a nano-film. This research starts with theoretical optimization of the parameters involved in fabrication, followed by experimental fabrication and characterization. In the second year of this project, we have achieved the following:
1. Numerical simulation of metallic tip-film system:
In continuation with the simulation work done in the first year, we performed further 3D-FDTD simulations on the tip-film system to improve our results. This was particularly focused on understanding the effect of the type of metal used. In order to achieve results in the lower frequency reason, we focused on silver and aluminum metals. While the plasmon resonance for Au varies between about 600 to 1000 nm, it varies from 450 to 650 nm for Ag and from 300 nm to 450 for Al.
2. The effect of surface roughness:
In addition to the shape, size and the kind of metal, we found that the surface roughness of metal strongly affects the plasmon resonance. Usually, the simulations assume that the surfaces are atomically smooth, while this is not true in the real experiments. Very rough surfaces give bad results and very smooth surfaces are not possible to fabricate. Thus we optimize the surface roughness that is acceptable as well as possible to fabricate. We have realized through simulation that average roughness of 2 nm is acceptable, and we have also achieved this value in our experiments.

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

In order to obtain the desired plasmon hybridization and to confirm the confinement and enhancement as well as the tuning of the plasmon resonance, a 3D-FDTD simulation is necessary to optimize various parameters of the tip-film system. Once we successfully optimize the parameters by numerical simulation, the next step is to fabricate the same structures and examine them practically, and finally utilize them for highly sensitive optical nanoimaging. In this year, we have been successful in optimizing various parameters, particularly the kind of metal and the surface roughness. We have theoretically obtained the tunability in plasmon resonance by calculating the absorption spectra for Ag and Al, and have obtained the effect of surface roughness. We have also developed techniques to obtain extremely smooth metal films with the average roughness under 2 nm. This is an important result, utilizing which we can take up the next step in research.

今後の研究の推進方策

As the optimization through theoretical simulation is almost finished, we have started the fabrication process. In the coming year, we will fabricate the various plasmonic nano-tips by evaporating gold, silver and aluminum on commercially available AFM cantilever, which is made of silicon. First, the cantilever will be oxidized under high temperature water-vapor, so that the base material becomes silicon-dioxide. Then the metal will be evaporated on this oxidized cantilever tip in ultra-high vacuum. Similarly, metallic thin-films of various thickness will be fabricated. We are now working on optimizing the evaporation technique to obtain high quality surfaces with surface roughness under 1-2 nm. Both the tip and the film will be then coated with an ultra thin layer of SiO2, so that the gap between the tip and the film can be maintained at a value that was optimized numerically in the first part. After successful fabrication, we will confirm functioning of the tip-film system by measuring the white-light scattering spectra and finally apply this tip-film system in TERS measurements to study various samples and obtain nanoimaging, as planned.

次年度使用額が生じた理由

プラズモンハイブリダイゼーションの実験には、平滑性の高い金属薄膜を用いる必要がある。薄膜作成のために既存のスパッタの電源部分を変更する必要があったが、この工事が遅延したために薄膜作成実験に遅れが生じた。ここで得られた実験経過を見て近接場光学顕微鏡システムの拡張を行う予定であったため、備品の選定に遅れが生じた。なお試料薄膜の作製にかわって、プローブの設計や観察を先行して行うことにしたため、実験全体に大きな遅れは生じていない。

次年度使用額の使用計画

近接場顕微鏡用プローブの設計と金属薄膜の作製がほぼ完了し、既存の近接場光学顕微鏡システムを用いて予備実験を行った。その結果、ラマン分光系の感度を高める必要があるということがわかった。特に、既存のシステムで用いているCW近赤外レーザーでは出力とクオリティともに不十分である。この問題を解決するために、既存の光源より出力が高くビームパターンの良いレーザーを購入することを予定している。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (12件) (うち招待講演 8件)

  • [雑誌論文] Optical antennas for tunable enhancement in tip-enhanced Raman spectroscopy imaging2015

    • 著者名/発表者名
      I. Maouli, A. Taguchi, Y. Saito, S. Kawata and P. Verma
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 8 ページ: 032401

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature dependent photodegradation in UV resonant Raman spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshino, Y. Saito, Y. Kumamoto, A. Taguchi, P. Verma and S. Kawata
    • 雑誌名

      Analytical Science

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Analysis of Polarization-Controlled Tip-Enhanced Raman Imaging Through the Evaluation of Tip Dipole2014

    • 著者名/発表者名
      T. Mino, Y. Saito, and P. Verma
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 8 ページ: 10187

    • 査読あり
  • [学会発表] Optical antennas for tip-enhanced Raman spectroscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      Workshop on Functional Nanophotonics
    • 発表場所
      Rabat, Morocco
    • 年月日
      2015-02-25 – 2015-02-26
    • 招待講演
  • [学会発表] Seeing what light cannot see2015

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      OPTO Osaka 2015
    • 発表場所
      Osaka, Japan
    • 年月日
      2015-01-14 – 2015-01-14
    • 招待講演
  • [学会発表] Polarization in Tip-enhanced Raman spectroscopy2014

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      Singapore-Japan International Workshop on Nanohotonics, Plasmonics and Metamaterials
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      2014-12-11 – 2014-12-12
    • 招待講演
  • [学会発表] Plasmon focusing for background-free near-field microscopy2014

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Umakoshi, Yuika Saito, Prabhat Verma
    • 学会等名
      Japan-Singapore International Workshop on Nanophotonics, Plasmonics and Metamaterials
    • 発表場所
      Nanyang Technological Univ. Singapore
    • 年月日
      2014-12-10 – 2014-12-13
  • [学会発表] Techniques in tip-enhanced Raman spectroscopy2014

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      KAST Frontier Scientists Symposium on Photonic Nanostructures
    • 発表場所
      Seoul, South Korea
    • 年月日
      2014-12-04 – 2014-12-05
    • 招待講演
  • [学会発表] Tip-enhanced Raman spectroscopy at extremely high spatial resolution2014

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      OSJ Optics&Photonics Japan 2014
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2014-11-05 – 2014-11-07
    • 招待講演
  • [学会発表] Optimization of plasmonic tip structure for background-free nano imaging2014

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Umakoshi, Yuika Saito, Prabhat Verma
    • 学会等名
      The 13th International Conference on Near-field Optics, Nanophotonics and Related techniques
    • 発表場所
      Salt Lake City, USA
    • 年月日
      2014-10-18 – 2014-10-25
  • [学会発表] Nanoscale optical investigation of electronic properties of carbon nanotubes2014

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      SPIE Photonics Asia 2014
    • 発表場所
      Beijing, China
    • 年月日
      2014-10-09 – 2014-10-11
    • 招待講演
  • [学会発表] プラズモンフォーカシングによる光学ナノイメージング2014

    • 著者名/発表者名
      馬越貴之、齊藤結花、プラブハット バルマ
    • 学会等名
      2014年秋季第75回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2014-09-16 – 2014-09-21
  • [学会発表] Optical nano-imaging via plasmon forcusing on metallic tip2014

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Umakoshi, Yuika Saito and Prabhat Verma
    • 学会等名
      International OSA Network of Students Asia 5 Hokkaido
    • 発表場所
      Clark Memorial Student center, Hokkaido, Japan
    • 年月日
      2014-09-14 – 2014-09-21
  • [学会発表] Tip-Enhanced Raman Spectroscopy at Extremely High Spatial Resolution2014

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      5th International Conference on Prospectives in Vibrational Spectroscopy
    • 発表場所
      Trivandrum, India
    • 年月日
      2014-07-08 – 2014-07-12
    • 招待講演
  • [学会発表] Tip-Enhanced Raman Investigation of the Localization of Electronic Properties in Carbon Nanotubes2014

    • 著者名/発表者名
      Prabhat Verma
    • 学会等名
      META 20 14, The 5th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      2014-05-20 – 2014-05-23
    • 招待講演

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公開日: 2016-06-01  

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