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カソードルミネセンスによるナノスケール複素電場マッピング
物質理工学院 准教授 三宮 工

金属ナノ粒子は、束縛された電子の集団運動に由来する光学共鳴(局在表面プラズモン共鳴、LSPR)を示し、光電場をナノスケールに局所集中させるナノアンテナとして機能する。この特性を利用して、低発熱回路、高感度バイオセンサー、高効率発光デバイスへの応用が期待される。実際のデバイス応用においては、このナノアンテナに指向性や整流機能をもたせる必要がある。(図1) また、信号伝達用の導波路とデバイスの接合には、反射をおさえるため位相・振幅を調整したインピーダンス・マッチングが必要となる。これまでに金属ナノ構造を利用したメタマテリアル開発の分野では、指向性の高いアンテナアレイ構造と発光素子を組み合わせると、発光効率が数十倍になるとの報告がある。

波の指向性と位相制御は表裏一体の関係であるため、アンテナ同士カップリングを担う局所的な電場位相と指向性の関係を明確にし、アンテナを設計する必要がある。このようにナノアンテナの高効率な利用には、ナノスケールで光の位相制御が必須となるが、高分解能で位相を含めた局所複素電場測定をする実験的手法は現存せず、局所位相の議論はほとんどされていない。ここでの研究では、走査型透過電子顕微鏡によるカソードルミネセンス(STEM-CL)を応用し、1nmスケールの空間分解能で、位相を含む複素光電場マッピング手法の新規開発を行う。STEM-CL法では電子線により物質を励起し、発光を測定する。さらに、発光角度を分解し干渉を利用することで位相抽出につなげる。



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