| 研究課題/領域番号 |
25390032
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 芝浦工業大学 |
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研究代表者 |
下条 雅幸 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (00242313)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 表面プラズモン共鳴 / プラズモニック導波路 / 金ナノ粒子 / 電子線 |
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| 研究概要 |
表面プラズモン共鳴を利用したナノスケールの光回路や光導波路に関する研究が注目されている。これらプラズモニック回路に関する従来の研究では、AuまたはAgのナノ粒子やナノロッドのコロイド溶液を用いたものが多い。しかし、基板上にナノ粒子を含むコロイド溶液を滴下・分散させた場合、一般に粒子はランダムな配置になってしまい、光導波路などの特定の回路を作ることは困難である。本研究では、有機分子修飾と局所的な電子線照射を利用して、ランダムな配置ではなく、意図的に機能的な配列のナノ粒子構造体を作製し、光導波路や光トランジスターなどのプラズモニック回路の開発を目指すものである。
平成25年度の目標は、ナノ粒子の基板上への固定および除去方法の確立であった。その手法は以下の通りである。(1)まず基板上にAuコロイド溶液を滴下し乾燥する。(2)その基板に対し、有機ガスを流しながら電子線を照射することにより、所望の粒子付近に炭素膜を堆積させ、これによって粒子を基板に固定する。(3)この基板を溶液中で洗浄することで、基板から不要な粒子を除去する。
この方法は平成25年度に本研究を開始してすぐに達成できたが、その過程で必ずしも有機ガスを流さなくても、所望のナノ粒子を基板に固定できることが明らかとなった。これは、ナノ粒子の周囲に吸着している有機分子を電子線で破壊し、炭素として固着しているためと考えられた。これにより、実験の手順が簡便になるので、今後はこの方法を用いることにした。この方法で、狙ったナノ粒子を固定し、その他のナノ粒子を除去する方法を確立した。
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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
本研究では、基板上にAuナノ粒子を分散し、狙った粒子の表面に吸着している有機分子を電子線で壊すことにより、粒子を基板上に固着し、他の粒子を除去することで目的の配列作製を目指している。
まず、狙った粒子に電子線を照射することによる固着について検討した。Auナノ粒子のコロイド溶液をシリコン基板上に滴下・乾燥し、その中の狙った粒子に電子線を照射すると、その粒子が基板に固着することが明らかとなった。このとき、特に有機ガスを流す必要はなかった。しかし、電子顕微鏡で観察するだけでも、電子線が照射されてしまうので、粒子が固着してしまうことがわかり、固定前に全体像を観察する際に工夫が必要であった。具体的には、極短時間の観察にとどめることで固着を概ね回避できた。
つぎに、不要な粒子の除去について検討した。これは、ナノ粒子コロイド溶液を滴下・乾燥した基板について、水への浸漬、界面活性剤の投入、pH調整、超音波照射の効果について検討した。その結果、溶液をアルカリ性にして超音波照射することにより粒子の99.9%以上を除去できることが分かった。これにより、除去方法はほぼ確立したと考えている。
以上のように、狙った粒子を基板上に固着し、不要な粒子を除去する方法が概ね確立した。つまり、第1段階としては順調に進展している。しかし、現状では導波路にできるほど粒子が密に並んでいないので、今後は基板上にナノ粒子を密に配置する方法を検討して、それに対して電子線照射による固定を試みる。
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| 今後の研究の推進方策 |
現状ではコロイド溶液を滴下・乾燥した状態で導波路にできるほど粒子が密に並んでいない。そこで今後は基板上に粒子を密に配置する方法を検討する。球形Auナノ粒子の表面にアルカンチオールなどを修飾し基板上に滴下することで、ナノ粒子の2次元的な規則配列を作る手法が知られている。この手法を応用してAuナノ粒子の2次元的な規則配列を作製する。この手法で作製したAuナノ粒子配列に対して、狙った粒子に電子線を照射し固定を試みる。これにより等間隔で規則的な配列を作ることができると考えられ、光導波路への応用に大きく貢献すると考えている。
この実験がうまくいった場合、粒子間距離は修飾するアルキル基の長さで決まると考えられるため、アルキル基の長さにより粒子間間隔を調節することを試みる。これにより、導波路として適切な間隔を検討する。
また、最近の研究で、三角形状ナノ粒子の角でプラズモンの電場が増強するという報告がある。適切な界面活性剤を用いて塩化金酸水溶液を還元することによりAu粒子のコロイド溶液を作製すると、球形だけでなく三角形状の粒子やロッド状のAuが含まれることがある。よって、三角形のAu粒子を多く含むコロイド溶液の作製方法についても検討を行う。
最終的には、球形および三角形状のAu粒子を使って、直線や分岐を含む粒子配列を作製し、連携研究者とともに光の伝搬実験を行う予定である。これによりプラズモニック回路作製の自由度向上が期待できる。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
当初の計画では、ナノ粒子を固定するために有機ガスを流しながら電子線照射をする予定だったが、研究の途中でガスを流さなくても固定できることが明らかとなった。これは、ナノ粒子表面に吸着している有機分子があるためと考えている。そのため、有機ガスを購入する必要がなくなり、また固定力とガス流量などの関係を調べる必要がなくなったため、一部差額が生じた。
ガスを流す代わりに、ナノ粒子表面に吸着させる有機分子を変えることで、固定されやすさや固定間隔を調べる予定である。このため、当初の計画に加えて、薬品（吸着させる有機分子）を購入する経費が発生する。これを次年度に追加する。
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