2013 Fiscal Year Research-status Report
ナノキャビティにおけるプラズモン増強光局所電子励起に関する研究
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23540373
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
西谷 龍介 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50167566)
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| Keywords | プラズモン / 局所光電子励起 / 光励起トンネル電流 / ナノキャビティ / トンネル発光 / SPR / 時間分解測定 / STM |
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| Research Abstract |
STM探針と基板貴金属との間のトンネルギャップをナノキャビティとして用い、ここにおける種々の電磁場（プラズモン近接場、紫外レーザー光）と物質の相互作用による、STMトンネル発光、光励起電子電流の研究を進めている。
昨年度に引き続き、光励起電子トンネル電流の詳細測定を、励起光のパワーを変化させて行った。ここではパルスレーザーをSTM探針先端に照射しながら、STM探針に流れる電流をSTM探針-試料間距離の関数として測定した。また、レーザーパルス光のフォトン数の時間空間的統計的な効果を観測するために、光励起電流の測定時間、測定回数を変えた実験を行った。これらの測定をSTM像測定と同時に行い、電流対探針-試料間距離依存測定を行った。さらに、光励起状態での金表面からの励起電子のトンネル電流の理論計算を、バイアス電圧、レーザーフォトンエネルギーをパラメータとして実施した。その結果、実験で得られたトンネル電流およびレーザーパワーに依存した結果を、トンネル電流のSTM探針金試料間距離変化として説明することができた。
その結果、レーザーパワー及びバイアス電圧に依存した光励起局所電流がSTM探針によりナノスケールで測定でき、光励起された電子がトンネル効果により検出され、光励起トンネル電流の探針ー試料間依存性として示された。
さらに、ナノスケール表面プラズモン共鳴を検出するために、光反射でのプラズモン共鳴におけるSTM探針金属の電磁場増強効果を測定するために、STMと結合した光反射測定を行う装置を設計、製作した。また、STM探針が試料表面に存在するときでの表面プラズモン共鳴の変化を見積もるために、表面プラズモン共鳴におけるSTM探針依存表面プラズモン共鳴電磁場計算を行った。これにより、STM探針があることによりSPR反射が変化することを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究においては、(1) STM発光とフォトルミネッセンスの同時測定、（２）STM発光と光励起電流の同時測定、（３）光励起電子トンネル過程の測定、（４）光電子トンネリングの偏光依存測定による軌道対称性空間分布の解析、（５）表面プラズモン共鳴のナノスケール検出を主要な目的としているが、本年度は主に（２）、（３）の実験および理論解析と（５）に関連する研究を中心に行った。光励起電子によるトンネル電流の、光パワー、バイアス電圧、試料探針間距離を変化させて測定した。光誘起トンネル電流の理論的解析により、実験的に測定されたSTM探針による電流のSTM探針ー試料間距離依存性は、ナノスケール光誘起トンネル電流として理解できることを示すことができ、これにより、光電子励起の局所領域測定という実験ができるようになり、主要目的の遂行に十分な前進があった。また、励起光のパワーつまりフォトン数に、トンネル電流の距離依存性の揺らぎが生じていることを観測し、今後の光励起における統計的処理の重要性についての知見を得た。（５）の研究については、ナノスケール表面プラズモン共鳴におけるSTM探針効果を測定する装置も製作できた。さらに、研究（１）、（２）におけるナノ秒スケールでの時間依存光励起過程測定のための装置製作もおこない、パルスレーザー励起とディジタルディレイ・パルスジェネレータを用いて光励起と光学測定の時間同期した測定を行うための光測定系（CCD）のシステム改良を行った。本年度はナノスケール光励起に関する、基礎的な実験成果と理論解析、および装置製作を行うことができたが、これらのさらなる応用的な測定の研究が十分ではなく、H26年度の研究として残された。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、光誘起トンネル電流の検出実験、ナノ秒分解時間依存光学測定装置の製作が達成されたので、今後それらを踏まえた下記の応用研究を推進する。
（１）光誘起電子トンネル電流の統計的解析：パルス紫外光励起電子による電流が、光誘起トンネル電流であることが実験理論的に示されたので、さらに励起光のフォトン数の統計揺らぎが光誘起トンネル電流に与える効果の詳細を解析する。
（２）光誘起電流における2光子励起の可能性についての解析
（３）有機分子吸着表面での光励起光電子電流の検出：これまでＳＴＭトンネル発光測定で実績のある各種のポルフィリン分子などの有機分子薄膜において同様の測定を行い、非占有有機分子電子状態を経由した光励起内部光電子トンネリングの測定を行う。
（４）光電子トンネリングの偏光依存測定による軌道対称性空間分布の解析：内部光電子電流において、光励起光源の偏光に対する依存性を測定し、吸着分子の状態の対称性に関する知見を得ることを試みる。
（５）STM発光と光励起電流の時間依存測定：局所光励起とSTM発光の同時測定を行い、STM探針と基板の間のナノ空間におけるフォトン数（電磁場）がSTMトンネル発光効率に与える効果、すなわちトンネル発光および光励起におけるキャビティ効果による光電子相互作用の増大効果を測定する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本年度はナノスケール光励起に関する、基礎的な実験成果と理論解析、および装置製作を行うことができたが、これらのさらなる応用的な測定の研究が十分ではないので、H26年度の研究として実施することとした。
実験遂行に必要な消耗品に使用する。
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[Journal Article] Inelastic electron-tunneling spectroscopy of nanoporous gold films2014
Author(s)
H. W. Liu, R. Nishitani, T. Fujita, W. Li, L. Zhang, X. Y. Lang, P. Richard, K. S. Nakayama, X. Chen, M. W. Chen, and Q. K. Xue
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Journal Title
PHYSICAL REVIEW B
Volume: 89
Pages: 035426-1, 5
DOI
Peer Reviewed
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