Understanding the electromagnetic field enhancements in two-dimensional materials and its application to optical rectenna

二次元材料は安価で、持続可能なクリーンエネルギーを実現する次世代電子デバイス材料として期待されている。特に、グラフェンはシリコンの約100倍の高移動度を示すほか、柔軟性や耐久性に優れていることからグリーンエレクトロニクス材料として有望視されている。近年、二次元材料で通常のラマン分光法よりも6桁以上高い感度を示す表面増強ラマン散乱(SERS)が観測された。SERS効果のメカニズムとして、金属表面のプラズモンに由来する電磁場増強や電荷移動共鳴による化学効果が提唱されているが、原子1個分の厚さしかない二次元材料の特異なSERS効果はまだ十分な理解が得られていない。そこで、二次元材料におけるSERS効果のメカニズムを解明し、感染症やガンなどを診断する超高感度バイオケミカルセンサーを開発することを目的として研究を行った。初年度は、二次元材料のプラズモン増強場形成のメカニズムを解明し、SERS基板の高性能化を行った。最初に、薄層化したマイカ上にRFスパッタを用いて300℃の高温で銀を堆積した後、裏面に単層グラフェンを転写したSERS基板を作製した。銀薄膜表面には局在表面プラズモンを示すナノホールが自己組織的に形成されていた。被験物質として微量のローダミン6G 水溶液（1μM）を用いてラマン散乱分光を行った結果、グラフェン側を表面にして測定すると、裏面の銀からの反射によりSERS信号が大きく増強することがわかった。さらに、マイカ基板を通過したレーザー光を用いて測定すると、ローダミン6G起因の複数のピークを高感度に観測できることがわかった。これは、大気よりも屈折率や誘電率が大きいマイカ基板を通過したレーザー光が被験物質に照射したためと考えられる。また、グラフェンと被験物質間の電荷移動共鳴による化学効果がスローライト効果により増加したことが示唆された。

二次元材料は安価で、持続可能なクリーンエネルギーを実現する次世代電子デバイス材料として期待されている。特に、グラフェンはシリコンの約100倍の高移動度を示すほか、柔軟性や耐久性に優れていることからグリーンエレクトロニクス材料として有望視されている。近年、二次元材料で通常のラマン分光法よりも6桁以上高い感度を示す表面増強ラマン散乱(SERS)が観測された。SERS効果のメカニズムとして、金属表面のプラズモンに由来する電磁場増強や電荷移動共鳴による化学効果が提唱されているが、原子1個分の厚さしかない二次元材料の特異なSERS効果はまだ十分な理解が得られていない。そこで、二次元材料におけるSERS効果のメカニズムを解明し、感染症やガンなどを診断する超高感度バイオケミカルセンサーを開発することを目的として研究を行った。初年度は、二次元材料のプラズモン増強場形成のメカニズムを解明し、SERS基板の高性能化を行った。最初に、薄層化したマイカ上にRFスパッタを用いて300℃の高温で銀を堆積した後、裏面に単層グラフェンを転写したSERS基板を作製した。銀薄膜表面には局在表面プラズモンを示すナノホールが自己組織的に形成されていた。被験物質として微量のローダミン6G 水溶液（1μM）を用いてラマン散乱分光を行った結果、グラフェン側を表面にして測定すると、裏面の銀からの反射によりSERS信号が大きく増強することがわかった。さらに、マイカ基板を通過したレーザー光を用いて測定すると、ローダミン6G起因の複数のピークを高感度に観測できることがわかった。これは、大気よりも屈折率や誘電率が大きいマイカ基板を通過したレーザー光が被験物質に照射したためと考えられる。また、グラフェンと被験物質間の電荷移動共鳴による化学効果がスローライト効果により増加したことが示唆された。