【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23WS0221

利用課題名 / Title

ナノキャビティーを用いた光強結合状態の生成とその光学特性の解明

利用した実施機関 / Support Institute

早稲田大学 / Waseda 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）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,スパッタリング/ Sputtering

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)

井村 考平

所属名 / Affiliation

早稲田大学　先進理工学部　化学・生命化学科

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

林ひな,若林麟太郎,甲斐亨

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

星野勝美

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

WS-001：イオンビームスパッタ装置

報告書データ / Report

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

ナノ構造体において励起される素励起とナノキャビティによる光閉じ込めにより，光強結合状態が生成し新物性を実現することが可能である。例えば，半導体に励起されるエキシトンとキャビティーの強結合相互作用により，低閾値のレーザー発振や化学反応の制御が実現することが報告されている。本課題では，金属や半導体のナノ構造とナノキャビティを用いた強結合状態の生成とその光物性の解明を目的とした。ナノキャビティの作製には，精密な膜圧制御が必要であり，これをマテリアル先端リサーチインフラ（ARIM）事業で利用公開されているイオンビームスパッタ装置（Hakuto M820，WS-001）を用いて行った。作製した試料の光学特性は，利用者の研究室に設置している光学顕微鏡，分光システムにより評価した。金薄膜と金ナノプレートを用いた計測から，金プレートに起因する光学特性の変調を確認した。また，半導体結晶と金薄膜を用いた計測からは，エキシトン発光の増強が観測された。

実験 / Experimental

金属および半導体におけるナノキャビティ効果を解明するため，二種類の試料を作製した。金属ナノ構造では，まず，ARIM事業で公開されているイオンビームスパッタ装置（Hakuto M820，WS-001）を用いてガラス基板に，金（40 nm）とTiO₂（100-200 nm）を成膜し，次に，研究室において，Au-TiO₂基板に金ナノプレート薄膜を転写してナノキャビティーを作製した。また，半導体の構造では，利用者の研究室において，PbBr₂とCsBrを前駆体として化学気相成長法によりサファイヤ基板上にCsPbBr₃ペロブスカイトマイクロ結晶を成長させた。この基板に，イオンビームスパッタ装置を用いて，SiO₂を5 nm，続いて金を40 nm蒸着し，CsPbBr₃/SiO₂/Au構造を作製した。作製した試料の光学特性は，光学顕微鏡および分光システムにより評価した。CsPbBr₃の発光の励起には，波長405 nmのレーザー光源を用いた。発光の寿命決定には，時間相関単一光子計数法を用いた。

結果と考察 / Results and Discussion

　金を成膜した基板の写真を図1に示す。図から，均一な膜が成膜できていることがわかる。試料の分光特性測定から，波長500 nmより長波長側において吸収および反射による透過光の減少が確認される。金薄膜に金プレート薄膜を転写した試料では，さらに透過光強度が減少すること，また光学特性が変化することが明らかとなった。CsPbBr₃/SiO₂/Au積層構造の光学特性は，単一粒子レベルで評価した。CsPbBr₃マイクロ結晶は波長520 nm近傍にエキシトン発光を示す。図2に金薄膜の成膜前後での発光スペクトルを示す。図から，積層構造では，CsPbBr₃マイクロ結晶と比較して，約3倍以上発光が増強することが明らかとなった。また，発光寿命の計測から，積層構造において寿命が短くなることが明らかとなった。これらの結果から，キャビティーの形成により，光学特性が変調されることが明らかとなった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1．金薄膜を成膜したガラス基板の写真

図2．CsPbBr₃マイクロ結晶の金薄膜成膜前後の発光スペクトル

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)

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

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