力検出を用いた近接場光学顕微鏡による有機分子の画像化機構の解明

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本研究では、物質近傍に局在する光を力として検出するという独創的なアイディアを用い、近接場光学顕微鏡のさらなる高感度化・高分解能化に挑戦した。この研究当初は、近接場光中に半導体探針を挿入し、半導体探針先端に生じる光起電力による静電気力を検出する方法をとっていた。しかしながら、この方法は探針先端にできる光起電力の飽和が問題となり、精度良く観測することが難しいことが分かってきた。さらに、分光測定が困難であり、光学測定としての強みが生かしきれない方法であることも明らかになった。そこで、探針を金探針に変え、探針と試料に光を照射した時に生じる双極子間の力(光誘起力)を検出する方法（光誘起力顕微鏡）に変更した。本年度は、開発したヘテロダインFM方式と超高真空光誘起力顕微鏡装置を用いて、単一量子ドットの分光イメージング及び測定を行った。それによって、単一構成体の量子ドットだけでなく、内部に異なる構成要素を持つ量子ドットの光誘起力イメージングを行った。その際、量子ドット内部のそれぞれの構成要素に応じて異なる光学応答を可視化することに成功した。これは内部に異なる応答を示す単一構成体に対して分光測定に成功した世界で初めての例である。また、その量子ドットの一部を拡大してイメージングしたところ、その分解能は0.7nmを達成していた。これは、可視光領域の波長を用いた光学観測において世界最高の空間分解能である。これによって量子ドット内部の欠陥準位の光学応答がイメージングされたと考えられる。また、このような２次元的な光誘起力の可視化のみならず、探針を３次元的に走査することでも、光誘起力を３次元的に描写することができる。また、力は本来ベクトル量であり、３次元マッピングを行うことで光誘起力のベクトルとしての可視化が可能である。本研究はそれに成功し、動電磁場による力が描写された初めての例である。