府大ら,光触媒ナノ粒子の近接場光を画像化

大阪府立大学,大阪大学,名古屋大学は,光照射により発生する力(光圧)を計る顕微鏡(光誘起力顕微鏡)を用いて,人工合成されたナノ粒子の近接場光を1nm以下の分解能で画像化することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

近年,電子を閉じ込めたナノ粒子が様々に合成され,新しい光機能材料として注目されている。個々のナノ材料の光機能をミクロな成り立ちから評価するためには試料を光励起し,原子スケールで試料近傍の近接場光を観測する必要がある。これまで近接場光を観測する顕微鏡としては走査型近接場顕微鏡があったが原子スケールの分解能を得ることは不可能だった。

今回研究グループは,光を照射した走査型顕微鏡のプローブ先端とナノ材料の間に働く力(光圧)を高感度に読み取る新しいタイプの顕微鏡(光誘起力顕微鏡)により,大幅な高分解能を実現することに成功した。

光誘起力顕微鏡は,金属基板上の試料と金属コートされた走査型顕微鏡のプローブチップが光で照射されると,基板とチップのギャップ内で強い光電場が発生し,ギャップ内の試料近傍の近接場光とチップに誘起される双極子との相互作用のため両者の間に力(光圧)が働く。この力を高感度に測定することで試料の近接場光イメージを得る走査型の顕微鏡。

研究グループは高性能光触媒材料として合成したダンベル型量子ドットを光誘起力顕微鏡で複数の波長の光を用いて観測し,ナノ粒子が設計通りの化学的性質を持つことを原子分解能に迫る光圧画像で確認した。そのデータを理論解析し,光触媒機能を高めるために工夫された化学的性質を反映した近接場光像が得られていることが分かった。

また,プローブ先端のミクロな突起が今回の原子スケールの分解能に寄与していることが解析により明らかになった。光誘起力顕微鏡を超高真空中で作動させたことと,光照射を繰り返すタイミングに独自の工夫を凝らして発熱の影響を極限まで低減させたことにより,光圧の3次元ベクトル像を取得することにも成功した。

研究グループはこの成果について,機能性ナノ材料の設計・評価のための新しい基盤技術として期待されるものだとしている。

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