先端顕微鏡
固体材料の非線形顕微鏡
非線形光学顕微鏡は固体材料を調べる有力な手法になっている。
製品紹介
固体における非線形顕微鏡とは何か
非線形光学顕微鏡手法は固体材料を調べる有力なツールとなっており、線形手法の能力を超える高分解能のラベルフリーイメージングおよび分光を可能にする。多光子フォトルミネセンス（MPPL）顕微鏡は、蛍光の非線形励起を通じてキャリアダイナミクス、欠陥、再結合についての知見を与える。第二次および第三次高調波発生（SHG、THG）顕微鏡は、構造対称性および界面に基づくコントラストを提供する。四波混合（FWM）などの追加手法は超高速電子相互作用の研究を可能にし、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）および誘導ラマン散乱（SRS）は、化学組成が鍵となる有機およびハイブリッド材料における分子振動のイメージングにとくに有用である。
フォトルミネセンス顕微鏡
二光子フォトルミネセンス顕微鏡は、より低いエネルギーの2個の光子がほぼ同時に吸収されて材料を励起する非線形光学効果に基づく。深部組織を損傷を最小限に抑えつつ可視化できるため生物学的イメージングで広く用いられるが、固体材料への応用も広がっている。この文脈では、多光子顕微鏡は層状構造およびヘテロ接合を調べる貴重なツールとなり、埋もれた界面、欠陥準位、あるいは電荷キャリアダイナミクスについての空間分解された知見を与える。
高調波顕微鏡
SHGおよびTHG顕微鏡は、固体材料における結晶対称性、界面、超高速ダイナミクスの高分解能ラベルフリーイメージングを可能にする非線形光学現象である。SHGでは、周波数ωのコヒーレント光が非中心対称材料と相互作用し、元の周波数の2倍（2ω）の光が放射される。SHG顕微鏡は、電場強度の二乗に依存するそのコヒーレントな性質により高い軸方向および横方向分解能を与え、反転対称性が破れた材料でのみ生じる。THGでは、周波数ωの光が3ωのコヒーレント信号を生じ、典型的には界面または屈折率変化のある領域で生じる。SHGと異なり、THGは中心対称および非中心対称の双方の材料で生じ得るため、より広い範囲の2D材料に対して汎用性が高い。SHGおよびTHG顕微鏡は、埋もれた界面、強誘電ドメイン、ひずみ誘起相、励起子共鳴、スピン–分極ダイナミクスを調べるために、ペロブスカイト、van der Waals材料、ヘテロ構造へより広く適用されている。
報告されているSHGおよびTHGの例
SHG顕微鏡は、2D Ruddlesden–Popper鉛ハライドペロブスカイトにおいてスイッチ可能なSHG円二色性を示した電気誘起強誘電ドメインおよびキラル状態を可視化するために用いられ、アキラルな強誘電材料における場で調整可能な対称性の破れを明らかにした。偏光分解SHGイメージングは、円筒井戸上に置いた単層WS₂のひずみをマッピングする全光学的手法として提示されており、2D材料の機械的変形に対する感度を持つ。THG顕微鏡は超薄硫化スズ（II）（SnS）フレークの面内異方性の研究に用いられ、配向依存の非線形光学応答を明らかにした。偏光分解THGは結晶対称性をマッピングし、オプトエレクトロニクス応用の可能性を示した。
四波混合顕微鏡
FWM顕微鏡は、固体材料中の励起子およびその他の準粒子を調べる有力な超高速イメージング手法となっている。複数のフェムト秒レーザーパルスを試料に入射し、生じるコヒーレント信号を検出することで、FWM顕微鏡は高い空間分解能で急速な過程を捉える。2D半導体、ヘテロ構造、ハイブリッドペロブスカイトの研究にとくに有効であり、これらの材料では不均一な機械的応力、欠陥、層間の弱い結合といった局所的な小さな差異が、材料と光の相互作用を大きく左右し得る。
ラマン顕微鏡
CARSおよびSRSのようなコヒーレントラマン顕微鏡手法は、固体材料の化学的に特異的なラベルフリーイメージングをサブミクロン分解能で可能にする。非線形光学相互作用を利用して振動モードの空間分布を明らかにし、結晶系における相純度、分子配向、超高速格子ダイナミクスを調べる貴重なツールとなる。CARSおよびSRS顕微鏡は、有機結晶、ハイブリッドペロブスカイト、固体医薬品に適用され、多形、ドメイン構造、振動の不均一性を可視化している。
