国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学未来材料・システム研究所の桒原 真人 准教授、水野 りら 博士前期課程学生らの研究グループは、日立製作所の森下 英郎 主任研究員、東邦大学理学部の桒原 彰太 准教授、株式会社日立ハイテクの揚村 寿英 本部長との共同研究で、100 kV時間分解電子顕微鏡を開発し、ナノ粒子における表面プラズモンの光励起緩和過程をピコ秒オーダーで観察することに成功しました。ピコ秒パルス電子をプローブとした電子エネルギー損失分光において、エネルギー損失強度、ピーク位置とその幅の緩和過程を計測することにより、光励起したナノ粒子の緩和時間の測定や温度変化の見積りに成功しました。プラズモニクス注4）材料へ適応を介して、パルス電子線を用いたエネルギー損失分光法による物質への応用を実現しました。
本研究では、産学連携による新しい時間分解ナノ計測装置の実現を示しました。また、プラズモニクス材料を用いた光エネルギー変換過程、熱電変換材料の局所的な熱緩和ナノ計測への展開が期待されます。
本研究成果は、2022年10月6日付学術雑誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。
・100kVレーザー駆動型フォトカソード電子銃注1）を活用した時間分解電子顕微鏡を実現。
・パルス電子をプローブとした電子エネルギー損失分光法を用いて、金ナノ粒子上の表面プラズモン注2）の光励起緩和過程注3）をピコ秒時間分解能で測定。
・光励起したナノ粒子の緩和時間の計測に成功した。
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注1）レーザー駆動型フォトカソード※電子銃：
フォトカソードを用いた電子線発生装置であり、その電子線発生にレーザーを用いる。照射レーザーの時間、空間、偏光を制御することで発生電子を制御する。
※フォトカソード：光電効果を用いた電子発生源（光陰極）であり、光が照射されると電子線発生が可能になる。応答速度、輝度などの電子ビーム特性は、材料とその表面状態、励起波長に依存する。
注2）表面プラズモン：
金属表面の自由電子が集団振動することにより生成される量子。
マイクロメートル：1mの106分の1
マイクロ秒：1秒の106分の1
ナノメートル：1mの109分の1
ピコ秒：1秒の1012分の1
フェムト秒：1秒の1015分の1
注3）光励起緩和過程：
物質に光を照射した瞬間、物質内では基底状態からある励起状態へと遷移が起きる。その励起状態は様々な散乱を介して緩和していき、基底状態へと戻る一連の過程のこと。
注4）プラズモニクス：
プラズモンの励起波長や電場増強効果などを、構成材料や構造、媒質などによる適切に制御する技術分野をプラズモニクスという。例えば、金属ナノ構造を用いたLEDや太陽電池の量子効率向上への応用などがある。
雑誌名：Applied Physics Letters
論文タイトル：Transient electron energy-loss spectroscopy of optically stimulated gold nanoparticles using picosecond pulsed electron beam
著者：Makoto Kuwahara（名古屋大学）, Lira Mizuno（名古屋大学）, Rina Yokoi（名古屋大学）, Hideo Morishita（日立製作所）, Takafumi Ishida（名古屋大学）, Koh Saitoh（名古屋大学）, Nobuo Tanaka（名古屋大学）, Shota Kuwahara（東邦大学）, and Toshihide Agemura（日立ハイテク）
DOI：10.1063/5.0108266
URL：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0108266
