【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.26】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24MS5015
利用課題名 / Title
鋭利な先端形状をもつSTM金属探針の開発と観測
利用した実施機関 / Support Institute
自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
走査トンネル顕微鏡, 金属探針,高度素材識別技術/ Advanced material identification technology
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
櫻井 敦教
所属名 / Affiliation
分子科学研究所 物質分子科学研究領域 電子構造研究部門（杉本G）
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
高橋 翔太,望月 達人
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
石山 修,伊木 志成子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
MS-202：低真空分析走査電子顕微鏡
MS-203：電界放出形透過型電子顕微鏡
MS-228：紫外・可視・近赤外分光光度計
MS-213：X線光電子分光
MS-225：顕微ラマン分光
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
走査トンネル顕微鏡（STM）の探針先端と試料基板の間に形成される1 nm以下の空間にフェムト秒パルスレーザーを照射することで、ナノスケールの微小空間に存在する分子から生じる和周波発生信号の観測を行った。従来の和周波発生分光法では、光の回折限界の制約から、得られる信号はサブマイクロメートル程度の領域に存在する100万個以上の分子の平均的な情報だったが、本研究では回折限界をはるかに凌ぐ微小空間からの信号を検出することに成功した。さらに、得られた信号の解析により、この微小空間に存在する少数の分子の向きを識別できることも確認した。
実験 / Experimental
電気化学エッチングで自作した金属探針の先端形状を、ARIMの走査電子顕微鏡（SEM）を用いて観察した。電気化学エッチングにおける印加電圧、エッチング溶液の濃度や温度、電極に使用する材料など、様々なパラメータを振りながら探針を作成し、その先端形状を観察することで、ナノメートルスケールで鋭利な探針を作成するための条件を探った。探針の先端形状のさらに高い空間分解の観察を目指して透過型電子顕微鏡（TEM）も使用した。また金属表面に吸着している分子の確認のため、顕微ラマン分光装置も使用した。
結果と考察 / Results and Discussion
探針開発当初は、探針先端に10ナノメートル程度の微細な凹凸構造が発生してしまう問題が存在していたが、電気化学エッチングの様々な条件を精査しながら探針を作成していくことで、凹凸構造のない非常に滑らかな先端形状をもつ探針を作成することに成功した。探針の先端形状は、毎回SEM観測を行って確認した。滑らかな表面をもつ探針を作成することで、凹凸構造に由来する光の散乱を劇的に抑えることができたことが、本研究を成功させるための重要な要素となった。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
謝辞
SEMの使用法をご指導いただいた石山修特任研究員、TEMの使用法をご指導いただいた伊木志成子特任専門員に感謝申し上げます。
口頭発表
Ryu Yoshizawa, Atsunori Sakurai, and Toshiki Sugimoto, “Highly sensitive observation of solid buried interface by time-resolved coherent Raman spectroscopy,” SOKENDAI Asian Winter School, Okazaki Conference Center, Okazaki, Japan, 2025/1/20.
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Atsunori Sakurai, Tip-Enhanced Sum Frequency Generation for Molecular Vibrational Nanospectroscopy, Nano Letters, 25, 6390-6398(2025).
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c06065
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Toshiki Sugimoto, “Plasmon and electronic-resonance-free coherent Raman spectroscopy sensitive to ultra-thin interfacial layers,” Optics & Photonics International Congress 2024, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, 2024/4/26.
- 熊谷紘一、平野智倫、高橋翔太、望月達人、櫻井敦教、杉本敏樹、森田明弘、『Tip-Enhanced SFG分光における和周波発生機構の理論解析』、第26回理論化学討論会、筑波大学、つくば、2024/5/23.
- Shota Takahashi, Atsunori Sakurai, Tatsuto Mochizuki, and Toshiki Sugimoto, “Pioneering tip-enhanced near-field nonlinear nanospectroscopy of interfacial molecules beyond the diffraction limit,” EVC-17/ECOSS-37 in 2024, Harrogate Convention Centre, Harrogate, UK, 2024/6/17.
- Zhongqiu Lin, Hikaru Saito, Hiromasa Sato and Toshiki Sugimoto, “Positive and Negative impacts of Hydrogen Bonds on Photocatalytic Hydrogen Evolution,” EVC-17 / ECOSS-37 Conference 2024, Harrogate Convention Centre, Harrogate, UK, 2024/6/21.
- Atsunori Sakurai, “Tip-enhanced sum frequency generation for molecular vibrational nanospectroscopy,” Korea-Japan Symposium on Molecular Science 2024, Hanwha Resort, Busan, KOREA, 2024/6/24.
- Toshiki Sugimoto, “Pioneering nonlinear optical spectroscopy to break through the detection limit of nanoscale interfaces,” Korea-Japan Symposium on Molecular Science 2024, Hanwha Resort, Busan, KOREA, 2024/6/24.
- 櫻井 敦教、高橋 翔太、望月 達人、熊谷 紘一、平野 智倫、森田 明弘、杉本 敏樹、『時間遅延法を用いた位相敏感探針増強和周波発生分光による分子振動の高感度検出』、日本物理学会第79回年次大会、北海道大学、北海道、2024/9/16.
- 小山田 伸明，御領 紫苑，金 成翔，櫻井 敦教，杉本 敏樹、『真空低温条件下における小分子吸着系のラマン分光観測』、日本物理学会第79回年次大会、北海道大学、北海道、2024/9/16.
- 金井 恒人、金 成翔、常川 響、櫻井 敦教、杉本 敏樹、『繰り返し速度MHz領域の高効率・高安定な水中白色光発生』、日本物理学会第79回年次大会、北海道大学、北海道、2024/9/19.
- 金成翔、小山田伸明、金井恒人、櫻井敦教、杉本敏樹、『コヒーレントラマン分光法を用いた液中埋没電極のオペランド界面計測』、第18回分子科学討論会、京都大学、京都、2024/9/20.
- 髙原裕大、常川響、望月達人、金井恒人、櫻井敦教、杉本敏樹、『金属基板表面上の小分子吸着系のin-situ非線形分光観測』、第18回分子科学討論会、京都大学、京都、2024/9/20.
- 高橋翔太、櫻井敦教、望月達人、熊谷紘一、平野智倫、森田明弘、杉本敏樹、『ナノスケール分子配向検出を可能にするヘテロダイン検出探針増強和周波発生分光の開拓』、第18回分子科学討論会、京都大学、京都、2024/9/20.
- 熊谷紘一、平野智倫、高橋翔太、望月達人、櫻井敦教、杉本敏樹、森田明弘、『Tip-Enhanced SFG 機構の理論解析』、第18回分子科学討論会、京都大学、京都、2024/9/20.
- 櫻井敦教、高橋翔太、望月達人、熊谷紘一、平野智倫、森田明弘、杉本敏樹、『時間遅延法を用いた自己ヘテロダイン探針増強和周波発生分光による振動共鳴信号の高感度検出』、第18回分子科学討論会、京都大学、京都、2024/9/21.
- Ryu Yoshizawa, Atsunori Sakurai, and Toshiki Sugimoto, “High sensitivity observation of solid buried interface molecules by coherent Raman vibrational spectroscopy,” The 10th International Symposium on Surface Science, Kita-Kyushu International Conference Center, Kita-Kyushu, Japan, 2024/10/21.
- Shota Takahashi, Atsunori Sakurai, Tatsuto Mochizuki, and Toshiki Sugimoto, “Pioneering heterodyne-detected tip-enhanced sum-frequency generation spectroscopy for nanoscale detection of molecular orientation,” The 10th International Symposium on Surface Science, Kita-Kyushu International Conference Center, Kita-Kyushu, Japan, 2024/10/21.
- 髙原裕大、常川響、望月達人、高橋翔太、金井恒人、櫻井敦教、杉本敏樹、『水素修飾Pt(111)基板上の水分子配向性のin-situ和周波発生振動分光観測』、表面界面スペクトロスコピー2024、東北大学、仙台、2024/12/16.
- 金成翔、金井恒人、櫻井敦教、杉本敏樹、『電気化学材料開発先導に向けた時空間集光コヒーレントラマン分光法の開発』、表面界面スペクトロスコピー2024、表面界面スペクトロスコピー2024、東北大学、仙台、2024/12/16.
- Yuta Takahara, Hibiki Tsunekawa, Tatsuto Mochizuki, Tsuneto Kanai, Atsunori Sakurai, and Toshiki Sugimoto, “In-situ Nonlinear Spectroscopic Observation of Water Molecules Orientation on Hydrogen Atom Covered Pt(111),” SOKENDAI Asian Winter School, Okazaki Conference Center, Okazaki, Japan, 2025/1/20.
- ChengXiang Jin, Tsuneto Kanai, Atsunori Sakurai, and Toshiki Sugimoto, “Frontier of Buried Interface Mesurement Using Coherent Raman Spectroscopy,” SOKENDAI Asian Winter School, Okazaki Conference Center, Okazaki, Japan, 2025/1/20.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件