利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.10】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24HK0075

利用課題名 / Title

局所磁場生成に向けたMoS2ナノ構造の作製と分光特性

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学 / Hokkaido Univ.

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）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,ALD,スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,電子顕微鏡/ Electronic microscope,フォトニクス/ Photonics


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)

野本 直也

所属名 / Affiliation

北海道大学大学院総合化学院分析化学研究室

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

上野貢生,今枝佳祐,素 雅,Ziyi Shen,矢藤千菜,山﨑公太,関戸建琉,中村橋太郎

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
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

HK-601：超高精度電子ビーム描画装置(100kV)
HK-610：コンパクトスパッタ装置
HK-616：原子層堆積装置
HK-620：ICP高密度プラズマエッチング装置（フッ素）
HK-404：超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

高効率な励起三重項状態の生成は、光－エネルギー変換、光医学療法、有機ELデバイスなど、次世代技術の要となる重要課題である。三重項励起状態の効率的制御は、長寿命な励起子の生成に伴う電荷分離効率の向上や活性酸素生成、発光効率の向上を可能にする。従来の研究では、重原子効果やEl-sayed則を利用して分子設計により項間交差速度を加速させ、励起三重項状態をいかに効率的に生成するかが検討されてきた。本研究では、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）層状化合物が示すユニークな磁場特性を利用し、高効率な励起三重項状態の生成を試みる。特に、Mie共鳴を利用して増強されたペタヘルツ振動磁場に基づくS-T吸収を増強し、励起三重項状態を高効率に形成する方法を開発する。MoS2のナノ構造を作製し、その近傍に存在する分子のS-T吸収が促進されることを実証する。

実験 / Experimental

実験では、可視～近赤外波長域にアナポールモードを示すMoS2ナノ構造をSiO2基板上に電子ビームリソグラフィー／ICPドライエッチング法により作製する。その上に、S-T吸収の度合いが異なる分子を含有したPMMAまたはPVA膜を成膜し、過渡吸収分光測定を行う。具体的には、MoS2ナノ構造の作製:Crのナノ構造を作製し、それをドライエッチングのマスクとして用い、任意のサイズのMoS2ナノ構造を作製する。作製したMoS2ナノ構造は、一辺220 nm, 高さ140 nm, 構造周期400 nmとする。過渡吸収分光測定:サブピコ秒の過渡吸収分光測定システムおよびマイクロ秒の過渡吸収分光測定システムを用いて、励起三重項の生成効率を比較する。過渡吸収の立ち上がり時間から、項間交差ではなくS-T吸収が誘起されていることを確認する。S-T吸収効率の異なる分子を用いて系統的に励起三重項の生成効率を比較し、電場ではなく磁場による増強であることを明らかにする。

結果と考察 / Results and Discussion

MoS2ナノ構造の作製後、その消光スペクトルを測定した結果、860 nm付近にシャープなピークが観測された（図1）。しかし、Crマスクの除去が完全ではないこと、MoS2の実吸収が重なることにより、スペクトルが不明瞭であった。時間領域差分法（FDTD法）による電磁界シミュレーションの結果、波長850 nm付近に実験結果と同様のシャープなピークが確認され、この波長においてアナポールモードが励起されていると考察された。電磁界シミュレーションにより、ナノ構造内部において入射光磁場の23倍、ナノ構造表面において最大20倍の強い増強磁場が得られることが確認された。今後の展開として、S-T吸収波長にアナポールモードを調整し、励起三重項の生成を過渡吸収分光計測によって明らかにする予定である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


作製したCr/MoS2ナノ構造の電子顕微鏡写真、構造設計略図、および消光スペクトル


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

参考文献H. Sugimoto, H. Hasebe, T. Furuyama, M. Fujii, Small 17, 2104458 (2021).


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)
  1. Keisuke Ozawa, Routing Light Emission from Monolayer MoS2 by Mie Resonances of Crystalline Silicon Nanospheres, ACS Applied Optical Materials, 3, 375-382(2025).
    DOI: 10.1021/acsaom.4c00495
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 高橋佑輔, 牛越新波, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "金／遷移金属ダイカルコゲナイドヘテロナノ構造の分光特性" 第84回分析化学討論会（京都）, 令和6年5月19日
  2. N. Nomoto, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Infrared plasmonic properties of well-defined isolated graphene nanostructures" The 2024 Spring Meeting of the European Materials Research Society (E-MRS) (Strasbourg), 令和6年5月27日
  3. K. Yato, W. Toyooka, S. Kano, K. Kurosawa, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Plasmon-enhanced photocatalytic reactions of methylene blue using gold nanoparticles supported molybdenum disulfide" SPIE Optics ＋Photonics 2024 (San Diego), 令和6年8月19日
  4. N. Nomoto, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Infrared plasmonic properties of isolated graphene nanostructures" SPIE Optics ＋Photonics 2024 (San Diego), 令和6年8月19日
  5. K. Ueno, "Photoluminescence properties of gold nanostructured Transition metal dichalcogenide heteronanostructures and their carrier dynamics" SPIE Optics ＋Photonics 2024 (San Diego), 令和6年8月20日
  6. K. Ueno, "Spectral properties and ultrafast dynamics of gold nanostructured Transition metal dichalcogenide heterostructures" The International Symposium on Advanced and Sustainable Science and Technology (Taichung), 令和6年9月12日
  7. 山﨑公太, 高橋佑輔, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "プラズモン／遷移金属ダイカルコゲナイドヘテロ構造の発光特性" 2024年 第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟）, 令和6年9月20日
  8. . Shen, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Fabrication of Au-Al heterodimer structures with nanogaps for nonlinear enhancement fields and their spectral properties" 第14回 CSJ化学フェスタ2024（東京）, 令和6年10月24日
  9. 関戸建琉, 牛越新波, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "光共振器－遷移金属ダイカルコゲナイド結合系の超高速ダイナミクス" 化学系学協会北海道支部2025年冬季研究発表会（札幌）, 令和7年1月22日
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

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