2015 Fiscal Year Annual Research Report
制御された金属ナノ構造による励起子ポラリトン素過程の追跡と反応場への応用
Publicly Offered Research
| Project Area | Application of Cooperative-Excitation into Innovative Molecular Systems with High-Order Photo-functions |
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| Project/Area Number |
15H01073
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
上野 貢生 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (00431346)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 光物性 / ポラリトン / 強結合 / ダイナミクス / 光反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は、放射ロスが0のダークモードプラズモンを示す金属ナノ構造を作製するために、金属／誘電体／金属の3層で構成される構造体を作製し、その中で最も高い光電場増強効果を示す金属ナノ構造体の設計を明らかにした。可視波長域において誘電率の虚部（吸収損失）が小さい銀だけではなく、金やアルミニウムを金属材料に用い、誘電体層をアルミナとして作製した。特に、金や銀を用いた場合はアルミナ層の厚みを3 nmと薄膜化するとダークモードの共鳴波長が近赤外波長域に存在し、可視波長域のエキシトンとハイブリッドシステムを形成することはできない。そこで、本研究では新たに紫外・可視波長域にプラズモン共鳴を示すアルミニウム構造体に着目した。なお、中間のアルミナ層の厚みは、原子層堆積装置を用いて原子レベルの分解能で制御した。分光特性を検討したところ双極子共鳴モードの長波長側にスペクトルの歪みが観測され、四重極子共鳴が誘起されていることを明らかにした。一方、双極子共鳴と四重極子共鳴の位相緩和ダイナミクスは、時間分解光電子顕微鏡により明らかになり、放射ロスが小さい四重極子共鳴（ダークモード）は、位相緩和時間が約2倍長いことが明らかになった。また、ポルフィリンのJ会合体分子を構造体基板近傍に配置し、プラズモン－エキシトンハイブリッドシステムを構築した。分光特性を検討し、真空ラビ分裂に由来する半交差の振る舞いを示す分散特性を得ることに成功した。また、時間分解分光によりハイブリッドシステム（エキシトンポラリトン）の緩和過程を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
中間のアルミナ層の膜厚を薄くした方が、高い光閉じ込め効果を示すことが時間領域差分法による解析や発光計測により明らかになった。これにより、銀だけではなく、紫外・可視波長域にプラズモン共鳴を示すアルミニウムを用いることにより、可視波長域で四重極子励起に基づいて極めて高い光電場増強効果を示す構造体の設計を新たに明らかにすることに成功した。また、金や銀を用いると近赤外域に四重極子共鳴モードを示す金属ナノ構造体を作製することが可能であることを明らかにした。これにより、分子や分子間の振動モードとプラズモンのハイブリッドシステムの構築に成功し、分光特性から真空ラビ分裂に由来する半交差の振る舞いを示す分散特性を得ることにも成功した。可視波長域だけではなく、赤外・テラヘルツ帯域においてもプラズモンと分子間のハイブリッドシステムの構築に成功したことは新規性が高い。以上の理由から、当初の計画以上に研究が進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、引き続き時間分解分光によりハイブリッドシステム（エキシトンポラリトン）のダイナミクスについて検討する。金属／アルミナ／金属の３層からなる金属ナノ構造のアルミナ部分を若干化学エッチングし、金属と金属の構造間に励起子分子が入る隙間を作製する。これにより、基板と垂直方向（z軸方向）にナノギャップが形成され、ダークモードが誘起される増強場に積極的に励起子が接近できる空間が形成される。本研究では、メロシアニンからスピロピランへのフォトクロミック反応が励起子ポラリトンの形成によりどの程度促進されるかについて検討し、励起子分子への光閉じ込めによる増強光化学反応場の有用性を検討する。そのためには、さまざまな金属ナノ構造体（共鳴波長の異なるもの、ダークモードを示すもの／示さないもの、化学エッチングによりナノギャップを形成したもの／していないもの）を用いて本実験を行い、比較検討する。これらの研究項目を明らかにして構造設計の最適化を図ることにより、放射ロスがなく高い光閉じ込め効果を示す究極の光化学反応増強場を構築し、本研究を総括する。
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Research Products
(19 results)
