力検出を用いた近接場光学顕微鏡による有機分子の画像化機構の解明

使用力检测的近场光学显微镜阐明有机分子的成像机制

基本信息

批准号：
16J00304
负责人：
山西絢介
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、物質近傍に局在する光を力として検出するという独創的なアイディアを用い、近接場光学顕微鏡のさらなる高感度化・高分解能化に挑戦した。この研究当初は、近接場光中に半導体探針を挿入し、半導体探針先端に生じる光起電力による静電気力を検出する方法をとっていた。しかしながら、この方法は探針先端にできる光起電力の飽和が問題となり、精度良く観測することが難しいことが分かってきた。さらに、分光測定が困難であり、光学測定としての強みが生かしきれない方法であることも明らかになった。そこで、探針を金探針に変え、探針と試料に光を照射した時に生じる双極子間の力(光誘起力)を検出する方法（光誘起力顕微鏡）に変更した。本年度は、開発したヘテロダインFM方式と超高真空光誘起力顕微鏡装置を用いて、単一量子ドットの分光イメージング及び測定を行った。それによって、単一構成体の量子ドットだけでなく、内部に異なる構成要素を持つ量子ドットの光誘起力イメージングを行った。その際、量子ドット内部のそれぞれの構成要素に応じて異なる光学応答を可視化することに成功した。これは内部に異なる応答を示す単一構成体に対して分光測定に成功した世界で初めての例である。また、その量子ドットの一部を拡大してイメージングしたところ、その分解能は0.7nmを達成していた。これは、可視光領域の波長を用いた光学観測において世界最高の空間分解能である。これによって量子ドット内部の欠陥準位の光学応答がイメージングされたと考えられる。また、このような２次元的な光誘起力の可視化のみならず、探針を３次元的に走査することでも、光誘起力を３次元的に描写することができる。また、力は本来ベクトル量であり、３次元マッピングを行うことで光誘起力のベクトルとしての可視化が可能である。本研究はそれに成功し、動電磁場による力が描写された初めての例である。

在这项研究中，我们尝试利用检测材料附近的光作为力的原始想法，进一步提高近场光学显微镜的灵敏度和分辨率。最初，这项研究涉及将半导体探针插入近场光中，并检测半导体探针尖端的光伏力产生的静电力。然而，该方法存在探针尖端产生的光伏力饱和的问题，难以准确观察。此外，很明显，光谱测量很困难，并且无法利用光学测量的优势。因此，我们将探针改为金探针，并使用一种方法（光诱导力显微镜）来检测探针和样品受光照射时产生的偶极子之间的力（光诱导力）。今年，我们利用开发的外差调频方法和超高真空光诱导力显微镜设备对单量子点进行了光谱成像和测量。结果，我们不仅对单组分量子点进行了光生力成像，而且对具有不同内部组分的量子点进行了光生力成像。当时，他们成功地根据量子点内的每个组件可视化了不同的光学响应。这是世界上第一个成功对表现出不同内部响应的单一成分进行光谱测量的例子。当他们放大并成像部分量子点时，他们获得了 0.7 nm 的分辨率。这是世界上使用可见光范围内的波长进行光学观测的最高空间分辨率。人们认为这对量子点内部缺陷能级的光学响应进行了成像。除了二维地可视化光感应力之外，还可以通过三维扫描探针来三维地描绘光感应力。此外，力本来就是矢量，通过进行三维映射，可以将光感应力可视化为矢量。这项研究在这方面取得了成功，并且是第一个描述动态电磁场产生的力的例子。