【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

24HK0076

利用課題名 / Title

結合系プラズモニックナノ構造における位相緩和時間の長寿命化と近接場分光特性

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）-

【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

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

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)

武内 浩輝

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,Shin-Chwen Yeh,増田侑杜,蘇 日娜,秋葉千明,牛越新波,豊岡若菜,小圷駿平,永井悠太,扇 穂乃花

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

松尾 保孝,大西　広,佐々木 仁,細井 浩貴,中村 圭佑,小島 俊哉,山﨑 郁乃,工藤 昌輝,遠堂 敬史,平井 直美,森 有子,PHYO THANDAR THANT,福本 愛

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)

目的: 本研究では、金属／誘電体／金属（MIM）ナノ構造を用いてプラズモン共鳴の位相緩和時間を調査し、光反応場の高効率化を目指した。用途: 局在表面プラズモン共鳴（LSPR）による光電場増強効果を活用し、表面増強分光や光触媒反応などへの応用を想定する。特に、位相緩和時間を長寿命化することで、より高効率な光反応場の構築を目指す。実施内容:・ガラス基板およびAl₂O₃/Au基板上に金薄膜を成膜し、Al₂O₃層の厚さを変化させたMIMナノ構造を作製。・電子ビームリソグラフィーとリフトオフ法を用いて、異なる周期の金ナノ構造をパターニング。・近接場分光および自己相関波形の測定を行い、光電場増強特性と位相緩和ダイナミクスを評価。

実験 / Experimental

材料および試料作製基板の準備: ガラス基板に金薄膜（厚さ100 nm）をスパッタリング法で成膜し、2-ヒドロキシ-1-エタンチオール処理を施した後、原子層堆積（ALD）法でAl₂O₃層を成膜。ナノ構造の作製: 電子ビームリソグラフィーとリフトオフ法を用いて、異なる周期の金ナノ構造を作製。測定手法光学特性の評価: 透過・反射測定（1-T-R）により吸収スペクトルを取得。近接場スペクトルの測定: 波長可変フェムト秒レーザー（730-1000 nm）を用いた金2光子誘起発光強度の作用スペクトル測定を実施。位相緩和時間の測定: 干渉型ポンプ－プローブ法を用いた自己相関波形の測定により、位相緩和時間を見積もった。

結果と考察 / Results and Discussion

吸収スペクトル（1-T-R測定）Al₂O₃層の厚さを変化させた際の共鳴ピークの変化を解析した。Al₂O₃層が薄い場合、共鳴ピーク波長が長波長側にシフトする一方で、一定厚さのAl₂O₃層に対する構造周期の変化ではピーク波長の変動はほとんど観測されなかった。FDTD法による電磁界シミュレーションの結果、四重極モードの誘起により光散乱が抑制されることが示唆された。近接場スペクトルと位相緩和時間近接場スペクトルでは、1-T-Rスペクトルのピーク付近のやや短波長側にピークが観測された（図1(a)）。自己相関波形の測定結果（図1(b)）では、Al₂O₃層の厚み5 nmと15 nmでそれぞれ3 fsおよび8 fsの位相緩和時間を示した。Al₂O₃層を5 nm以下にすると四重極モードの励起が抑制され、結果として位相緩和時間の長寿命化が阻害されることが明らかとなった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 (a) 金属／誘電体／金属（MIM）ナノ構造の1-T-Rスペクトルと金2光子誘起発光を用いた近接場励起スペクトル、(b) Al₂O₃層の厚みが5 nm、および15 nmの金属／誘電体／金属（MIM）ナノ構造の自己相関トレース

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

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 Imaeda, Coherent acoustic vibrations of Au nanoblocks and their modulation by Al2O3 layer deposition, The Journal of Chemical Physics, 160, (2024).
   DOI: 10.1063/5.0202690
   
2. Kosei Ueno, Hiroaki Misawa Festschrift: Frontiers in Photochemistry, The Journal of Physical Chemistry C, 128, 15753-15756(2024).
   DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c05538
   
3. Keisuke Imaeda, High-Q Plasmonic Nanocavities Enabled by Integration of Au Nanogap Dimers with a Distributed Bragg Reflector, The Journal of Physical Chemistry C, 129, 5095-5104(2025).
   DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c08669
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. S. Kano, W, Toyooka, K. Yato1, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Modulation of photochromic reactions through electromagnetic field enhancement by plasmons" The 2024 Spring Meeting of the European Materials Research Society (E-MRS) (Strasbourg), 令和6年5月27日
2. H. Takeuchi, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Exploring Near-field spectroscopic properties and controlling phase relaxation dynamics in exciton-plasmon strong coupling systems" The 2024 Spring Meeting of the European Materials Research Society (E-MRS) (Strasbourg), 令和6年5月27日
3. 上野貢生, "プラズモン場による電子・振動緩和ダイナミクスの制御を利用した光化学", 第26回プラズモニック化学シンポジウム（札幌）, 令和6年6月28日
4. S. Kano, W. Toyooka, K. Yato, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Ultrafast dynamics of plasmon-induced photochromic reactions" SPIE Optics ＋Photonics 2024 (San Diego), 令和6年8月19日
5. H. Takeuchi, K. Imaeda, S. Ryuzaki, K. Ueno, "Near-field spectral properties and ultrafast dynamics of plasmon and molecular J-aggregates in the strong coupling regimes" SPIE Optics ＋Photonics 2024 (San Diego), 令和6年8月20日
6. 秋葉千明, 今枝佳祐, 龍崎 奏, 上野貢生, "金ナノチェイン構造を用いた赤外化学センシング" 2024年光化学討論会（福岡）, 令和6年9月5日
7. 牛越新波, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "コヒーレント光学フォノン計測による赤外パーセル効果の検証" 2024年光化学討論会（福岡）, 令和6年9月5日
8. 豊岡若菜, 矢藤千菜, 加納更紗, 今枝佳祐, 龍﨑奏, 上野貢生, "金ナノ微粒子におけるホットキャリアの超高速ダイナミクスに関する研究" 2024年光化学討論会（福岡）, 令和6年9月5日
9. 小圷駿平, Wang Peixin, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "２光子誘起フォトクロミック反応の光閉じ込め時間効果" 2024年光化学討論会（福岡）, 令和6年9月5日
10. 扇 穂乃花, 加納更紗, 矢藤千菜, 豊岡若菜, 武内浩輝, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "プラズモン共鳴下における光酸発生剤の光反応特性と超高速ダイナミクス" 2024年光化学討論会（福岡）, 令和6年9月5日
11. 武内浩輝，今枝佳祐，龍﨑 奏，上野貢生, "励起子－光共振器強結合系の分光特性と超高速ダイナミクス" 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19日
12. 上野貢生, "光場による化学反応素過程の制御に関する研究" 第2回ATFコンファレンス（界面ナノ科学研究会）（沼津）令和6年11月18日
13. K. Ueno, "Photochemistry utilizing the control of electronic and vibrational relaxation dynamics by optical fields" The 12th Singapore International Chemistry Conference (SICC-12) (Sigapore), 令和6年12月11日
14. 上野貢生, "プラズモニクスを活用した化学反応制御", レーザー学会学術講演会第45回年次大会（広島）, 令和7年1月21日
15. 扇 穂乃花, 豊岡若菜, 加納更紗, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, "フォトレジスト光酸発生材の時間分解分光特性" 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
16. K. Ueno, "Modulation of ultrafast dynamics of electronic states and vibrational relaxation for controlling chemical reactions" The University of Melbourne – Hokkaido University Workshop on Smart Materials (Melbourne), 令和7年3月3日
17. 武内浩輝，今枝佳祐，龍﨑 奏，上野貢生, "励起子－光共振器強結合系の分光特性と超高速ダイナミクス" 2025年 第72回応用物理学会春季学術講演会（千葉）, 令和7年3月14日
18. 増田侑杜，今枝佳祐，龍﨑 奏，上野 貢生, "プラズモニックナノギャップに配置したカーボンドットの発光増強" 2025年 第72回応用物理学会春季学術講演会（千葉）, 令和7年3月16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