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ナノテクノロジー・材料

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photoinduced force field map. The tendency to explain the results

光触媒材料、太陽電池

evident.

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ご自身の顔写真のご提供
光の力で原子スケールの構造を可視化※１2.印刷可能な解像度のものを電子ファイ
１2. ご自身の顔写真のご提供※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。

工学研究科

物理学系専攻教授 菅原 康弘

Researchmap

教授 石原 一Researchmap https://researchmap.jp/nonlocal

基礎工学研究科https://researchmap.jp/read0082006

物質創成専攻

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

半導体や金属のナノ粒子は、光触媒、太陽電池などに用いる光機能材料として注目されている。光を用いる走査型顕微鏡（走査型近接場光学顕微鏡）を用いれば、このような試料の光学特性を反映した画像を取得できるが、これまで原子スケールの分解能での観察は実現されていなかった。
研究チームは、光照射により発生する力（光圧）を計る顕微鏡（光誘起力顕微鏡）を用いて、高性能な光触媒材料として設計された複合ナノ粒子の近接場光を1ナノメートル以下の分解能で画像化することに世界で初めて成功した（図1〜2）。超高真空中での観測を実現し、かつ光照射による熱の影響を除去する独自の工夫を加えたことが高分解能観察の鍵となっている。複合ナノ粒子を複数の波長の光を用いて観測し、複合ナノ粒子が設計通りの化学的性質を持つことを原子分解能に迫る光圧画像で確認し、光圧の3次元ベクトル像を取得することにも成功した（図3）。機能性ナノ材料の設計・評価のための新しい基盤技術として期待される成果である。

▍研究の背景と結果

近年、電子を閉じ込めた半導体や金属のナノ粒子が様々に合成され、光触媒、太陽電池などに用いる新しい光機能材料として注目されている。
個々のナノ材料の光機能をミクロな成り立ちから評価するためには試料を光励起し、原子スケールで試料近傍の近接場光を観測する必要がある。これまで近接場光を観測する顕微鏡としては走査型近接場顕微鏡があるが、原子スケールの分解能を得ることは不可能であった。
近年、原子間力顕微鏡技術に基づき、試料表面の光学的性質を高い空間分解能で画像化する新たな顕微鏡（光誘起力顕微鏡）が開発されている。この顕微鏡では、原子間力顕微鏡の金属探針と試料表面に光を照射し、金属探針に誘起される双極子と試料表面に誘起される双極子との間の双極子・双極子相互作用を力として検出する。今回、研究チー
ムは、光誘起力顕微鏡を超高真空中で作動させることにより力の検出感度を飛躍的に高めることと、光照射を繰り返すタイミングに独自の工夫を凝らして発熱の影響を極限まで低減させることにより、桁違いの高分解能を実現することに成功した。
この高性能な光誘起力顕微鏡で高性能光触媒材料として合成されたダンベル型の半導体量子ドットを波長の光を用いて観測し、そのデータを理論解析した。その結果、光触媒機能を高めるために工夫された化学的性質を反映した1nm 以下の空間分解能で近接場光像が得られていることが分かった。また、プローブ先端のミクロな突起が今回の原子スケールの分解能に寄与していることが解析により明らかとなった。
さらに、半導体量子ドットに作用する光圧の3次元ベクトル像を取得することにも成功した。これらは、機能性ナノ材料の設計・評価のための新しい基盤技術として期待される成果である。今後、さらに、低温環境を利用することにより、超高感度な力検出が実現され、これまで誰も成しえなかった単一分子内部の光学応答の可視化も可能になると期待される。

▍ 研究の意義と将来展望
本技術を用いれば、ナノ構造の近接場光を原子分解能で観測することができるため、新しいナノ材料合成のための設計・評価が格段に高度化する。このため本技術は今後、画期的な光触媒材料や太陽電池材料を実現するための新しい基盤技術になると期待される。

図１ (a) 光照射された走査型顕微鏡のプローブ先端と試料の間に働く力（光圧）を読み取る光誘起力顕微鏡の模式図。(b)(c)二種の光波長(600nm,520nm)で得られた光誘起力顕微鏡像。(d)光誘起力像の断面図。
光触媒として設計された電子エネルギー構造が反映されている。

Fig.1 (a) Schematic image of photoinduced force microscopy. (b)(c) Photo-induced force

図1 (a) 光照射された走査型顕微鏡のプローブ先端と試料の間に働く力（光圧）microscopy
images of a quantum dot measured using different wavelengths (600 nm,520を読み取る光誘起力顕微鏡の模式図。(b)(c)
二種の光波長(600nm,520nm)nm).
(d) Photoinduced
force profiles for the images.
This reflects
theelectronic energy で得微鏡の模式図。
(b)(c)二種の光波長(600nm,520nm)で得られた光誘起力顕微鏡像。
(d)光誘起力像の断面図。
図１(a) 光照射された走査型顕微鏡のプローブ先端と試料の間に働く力（光圧）を読み取る光誘起力顕られた光誘起力顕微鏡像。(d)
光誘起力像の断面図。光触媒として設計された電子光触媒として設計された電子エネルギー構造が反映されている。
structuredesigned for photocatalysis.
エネルギー構造が反映されている。
Fig.1 (a) Schematic image of photoinduced force microscopy. (b)(c) Photo-induced force
microscopy images of a quantum dot measured using different wavelengths (600 nm,520nm). (d) Photoinduced force profiles for the images. This reflects the electronic energy
structure designed for photocatalysis.

図2(a) 試料の原子間力顕微鏡像（拡大図）。(b) 試料の光誘起力顕微鏡像（拡大図２ (a) 試料の原子間力顕微鏡像（拡大図）。(b)試料の光誘起力顕微鏡像（拡大図）。(c)光誘起力顕微図）。(c) 光誘起力顕微鏡像の断面図。1nm を切る分解能が得られていることが分鏡像の断面図。1nm を切る分解能が得られていることが分かる。

かる。

Fig.2 (a) Atomic force microscopy image of a quantum dot. (b) Photoinduced force
microscopy image at 660 nm. (c) Photoinduced force profiles for the image. A spatial
図２(a) 試料の原子間力顕微鏡像（拡大図）。(b)試料の光誘起力顕微鏡像（拡大図）。(c)光誘起力顕微

resolutionof lessを切る分解能が得られていることが分かる。
than 1 nm has been obtained.
鏡像の断面図。1nm

Fig.2 (a) Atomic force microscopy image of a quantum dot. (b) Photoinduced force
microscopy image at 660 nm. (c) Photoinduced force profiles for the image. A spatial
resolution of less than 1 nm has been obtained.

図3 (a) 光圧の3次元ベクトル計測の模式図。(b) 計測による光圧の3次元ベクトル。
図３ (a) 光圧の３次元ベクトル計測の模式図。(b)計測による光圧の３次元ベクトル。カラーの矢印で面カラーの矢印で面内の力の大きさと方向を表す。白黒の濃淡は高さ方向の力の大内の力の大きさと方向を表す。白黒の濃淡は高さ方向の力の大きさを表す。(c)
光圧の３次元ベクトル理きさを表す。(c)
光圧の3次元ベクトル理論計算図。実験で得られた画像の傾向が論計算図。実験で得られた画像の傾向がよく説明できている。
よく説明できている。
Fig. 3 (a) 3D force field mapping of the photoinduced force. (b) Experimentally obtained 3D
photoinduced force field map using the laser with 660 nm wavelength. Colored arrows
indicate the magnitude and direction of the force in the plane. The black and white shading
indicates the magnitude of the force in the height direction. (c) Theoretically calculated 3D
photoinduced force field map. The tendency to explain the results of experiments well isevident.
１2. ご自身の顔写真のご提供

特許論文※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。

Yamanishi, Junsuke; Ishihara, Hajime; Sugawara, Yasuhiro et al. Optical force mapping at the single-nanometre scale. Nature communications. 2021 Jun 23; 12(1): 3865. doi: 10.1038/s41467-021-24136-2

参 考 URL https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210623_2
キーワード 光誘起力顕微鏡、光圧、近接場光学、ナノ粒子以上