在JST的战略性创造研究推进事业中，马克斯·普朗克协会弗里茨·哈伯研究所的研究小组新开发了一项技术，可利用聚焦离子束（FIB）对扫描探针显微镜使用的探针实施纳米加工，并精确控制探针尖端产生的纳米级光线。
要想查明非均相催化剂的反应机制，就要调查作为固体表面反应活性位点的局部结构和分子的动态行为，因此需要开发超过光线衍射极限的纳米级成像法，以及可以从微小区域获得光谱的显微分光法。作为在这种空间极限进行测量的方法，可以使用扫描型近场光显微镜，这种显微镜利用能在尖锐的金属探针针尖产生的纳米级光“近场光”进行测量。金或银等材质的探针针尖经过局部表面等离子体的激发会产生强近场光，控制这种近场光是纳米成像和纳米显微分光的基本技术。
研究小组利用FIB在尖锐的金探针针尖形成了微细结构。实验结果显示，可以通过法布里·珀罗干扰，调制针尖产生的近场光的光谱，能作为传播型表面等离子体的谐振器使用（图1）。
图1：实验示意图
图2a是利用FIB进行纳米加工后的金探针的电子显微镜照片。研究小组首先制作了非常尖锐、而且表面达到纳米级平坦的探针，然后在距离针尖数微米的位置形成沟槽结构。并在实施了纳米加工的探针与达到原子级平坦的银单晶表面形成纳米结。之后，利用自主开发的高精度光子扫描隧道显微镜（Photon STM）测量STM发光，直接观察了纳米空间产生的近场光的光谱（图2b）。
图2：利用FIB进行纳米加工的STM探针的发光光谱
图2c是利用实施了FIB加工的探针获得的STM发光光谱。可以看出，形成沟槽结构时，光谱受到了周期性的调制。从图2d的电场模拟结果可以看出，光谱调制是由传播型表面等离子体的法布里·珀罗干扰（产生驻波）引起的。另外还发现，光谱调制会根据沟槽的位置发生变化，这表明，通过控制探针的结构，可以操控发光光谱。要对物质表面吸附的分子进行高精度显微分光，这种近场光的光谱控制是不可或缺的技术。
研究小组今后计划利用这项新技术，开发能直接观察物质表面吸附的分子的结构和反应动态的尖端测量技术，以查明非均相催化剂和等离子体催化剂的机制。（日文发布全文）
文：JST客观日本编辑部
