3-9 研究施設
分子制御レーザー開発研究センター
猿 倉 信 彦（助教授）
A -1)専門領域：量子エレクトロニクス、非線形光学
A -2)研究課題：
a) 遠赤外超短パルスレーザー b) 紫外波長可変固体レーザー c) 非線形光学
d) 青色半導体レーザー e) 超高速分光
f) 新真空紫外域光学窓材
A -3)研究活動の概要と主な成果
a) 遠赤外超短パルスレーザー：今までレーザーが存在していなかった遠赤外領域において，世界で初めて，強磁場を印 加した半導体から，平均出力がサブミリワットの遠赤外放射（テラヘルツ放射）を得ることに成功した。このテラヘ ルツ放射の偏光が，磁場によって大きく変化することも発見した。また，昨年度にテラヘルツ放射の実験に用いた半 導体非線形ミラーに磁場を印加することにより，テラヘルツ放射の増強を実現した。この領域は分子物質のフォノ ンやエキシトンを直接励起できることができるため非常に重要であるだけでなく，工業的応用においてもイメージ ングやセンシングなどの新たなる手法となるため，世界的にも大いに注目されている。
b) 紫外波長可変固体レーザー：紫外，および深紫外波長領域において，世界で初めて全固体，かつコンパクトな10 mJ ク ラスの出力を持つ波長可変紫外超短パルスレーザーを実現した。この紫外，深紫外波長領域は様々な分子物質の分 子科学の研究，特にオゾン層問題の研究や青色半導体レーザーの研究において必要不可欠と考えられる波長領域で ある。
c) 非線形光学：半導体において，レーザー照射による遠赤外複素屈折率の変化を測定した。
d) 青色半導体レーザー：青色で発光する窒化ガリウム系の半導体素子において精密な分光を行い，未解明の分野であ る発光メカニズムについて様々な知見を得た。窒化ガリウム系の半導体素子は，近年，青色半導体レーザー材料とし て急速に注目されてきている物質である。青色半導体レーザーにおいては，室温連続発振青紫色レーザーダイオー ドの寿命が１万時間を超えて製品化が間近になっているにもかかわらずその発振機構の解明には至っておらず，原 点に戻って，InGaN 系発光ダイオードの発光機構について，研究を進める予定である。
e) 超高速分光：a)で述べたような強力な遠赤外放射光を用いて，様々な分子物質の超高速過渡分光を行う。現在，化合 物半導体であるInA sにおいて，清浄表面からのテラヘルツ電磁波放射の研究を，総合研究大学院大学光先導学科松 本教授と行っており，表面とテラヘルツ電磁波に関連する多くの情報を得ている。また，神戸大学富永助教授，千葉 大学西川教授と溶液，及び期待に関する超高速遠赤外分光の実験を行っており，成果をあげている。
f) 新真空紫外域光学窓材：紫外，および深紫外波長領域におけるレーザー結晶に関するノウハウを用いて，放射光に用 いることが可能な新しい真空紫外領域の窓材の研究を課題研究として行っており，いくつかの新結晶の開発に成功 している。
B -1) 学術論文
Z. LIU, K. SHIMAMURA, T. FUKUDA, T. KOZEKI, Y. SUZUKI and N. SARUKURA, “High-Energy Pulse Generation from Solid-State Ultraviolet Lasers Using Large Ce:fuoride Cryals,” Opt. Mater. 19, 123–128 (2002).
K. SHIMAMURA, H. SATO, A. BENSALAH, H. MACHIDA, N. SARUKURA and T. FUKUDA, “Growth of Ce-Doped Colquiriite- and Scheelite-Single Crystals for UV Laser Appiocations,” Opt. Mater. 19, 109–116 (2002).
K. KAWAMURA, N. ITO, N. SARUKURA, M. HIRANO and H. HOSONO, “New Adjustment Technique for Time Coincidence of Femtosecond Laser Pulses Using Third Harmonic Generation in Air and Its Application to Holograph Encoding System,” Rev. Sci. Instrum. 73, 1711–1714 (2002).
Y. SUZUKI, T. KOZEKI, S. ONO, H. MURAKAMI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, T. NAKAJYO, F. SAKAI and Y. AOKI, “Hybrid Time-Resolved Spectroscopic System for Evaluating Laser Material Using a Table-Top-Sized, Low-Jitter, 3- MeV Picosecond Electron-Beam Source with a Photocathode,” Appl. Phys. Lett. 80, 3280–3282 (2002).
K. YAMAMOTO, K. TOMINAGA, H. SASAKAWA, A. TAMURA, H. MURAKAMI, H. OHTAKE and N. SARUKURA,
“Far-Infrafed Absorption Measurements of Polypeptides and Cytochromnec by THz Radiation,” Bull. Chem. Soc. Jpn. 75, 1083–1092 (2002).
H. OHTAKE, Y. SUZUKI, S. ONO, N. SARUKURA, T. HIROXUMI and T. OKADA, “Simultaneous Measurement of Thickness and Water Content of Thin Black Ink Films For the Printing Using THz Radeation,” Jpn. J. Appl. Phy. 41, L475– L477 (2002).
Y. SUZUKI, S. ONO, H. MURAKAMI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, G. MASADA, H. SHIRAISHI and I. SEKINE, “0.43 J, 10 Hz Fourth Harmonic Generation of Nd:YAG Laser Usin Large Li2B4O7 Crystals,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, L823–L824 (2002).
Z. LIU, S. ONO, T. KOZEKI, Y. SUZUKI, N. SARUKURA and H. HOSONO, “Generation of Intense 25-fs Pulses at 290nm by Use of a Hollow Fiber Filled with High-Pressure Argon Gas,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, L986–L988 (2002). S. ONO, Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. MURAKAMI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, H. SATO, S. MACHIDA, K. SHIMAMURA and T. FUKUDA, “High-Energy, All-Solid-State, Ultraviolet Laser Power-Amplifier Module Design and Its Output-Energy Scaling Principle,” Appl. Opt. 41, 7556–7560 (2002).
H. MURAKAMI, T. KOZEKI, Y. SUZUKI, S. ONO, H. OHTAKE, N. SARUKURA, E. ISHIKAWA and T. YAMASE,
“Nanocluster Molecular Crystals of Lacunary Polyoxometalates as Structure-Design-Flexible, New Inorganic Nonlinear Materials,” OSA TOPS Advanced Solid-State Lasers 68, 61 (2002).
Y. SUZUKI, S. ONO, H. MURAKAMI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, G. MASADA, H. SHIRAISHI and I. SEKINE, “0.43-J, 10-Hz, Fourth Harmonic Generation of Nd:YAG Laser Using Large Li2B4O7 Crystals,” OSA TOPS Advanced Solid-State Lasers 68, 472 (2002).
H. MURAKAMI, S. ONO, Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, H. SATO, S. MACHIDA, K. SHIMAMURA and T. FUKUDA, “Large-Aperture Ce3+:LiCaAlF6 Power-Amplifier Module Development for the TW Ultraviolet Femtosecond CPA Laser System,” OSA TOPS Advanced Solid-State Lasers 68, 475 (2002).
Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, T. NAKAJYO, F. SAKAI and Y. AOKI, “Electron-Beam Excited Ce:LiCAF Spectroscopy by a Table-Top-Sized, Low-Jitter, 3-MeV Picosecond Electron-Beam Source with a Photo Cathode,” OSA TOPS Advanced Solid-State Lasers 68, 478 (2002).
S. ONO, T. KOZEKI, Z. LIU, N. SARUKURA, A. BENSALAH and T. FUKUDA, “Crystals for the Ultraviolet Tunable Laser,” Laser Rev. 30, 287 (2002).
H. OHTAKE and N. SARUKURA, “Intense THz Radiatioon from Se,” Laser Revi. 30, 287 (2002).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
H. MURAKAMI, T. KOZEKI, Y. SUZUKI, S. ONO, H. OHTAKE, N. SARUKURA, E. ISHIKAWA and T. YAMASE,
“Nanocluster molecular crystals of lacunary polyoxometalates as structure-design-flexible, new inorganic nonlinear materials,” Advanced Solid-State Lasers, Quebec City, paper MB8 (2002).
Y. SUZUKI, S. ONO, H. MURAKAMI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, G. MASADA, H. SHIRAISHI and I. SEKINE, “0.336-J, 10-Hz, fourth harmonic generation of Nd:YAG laser using large Li2B4O7 crystals,” Advanced Solid- State Lasers, Quebec City, paper WC4 (2002).
H. MURAKAMI, S. ONO, Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, H. SATO, S. MACHIDA, K. SHIMAMURA and T. FUKUDA, “Large-aperture Ce3+:LiCaAlF6 power-amplifier module development for the TW ultraviolet femtosecond CPA laser system,” Advanced Solid-State Lasers, Quebec City, paper WC5 (2002).
Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, T. NAKAJYO, F. SAKAI and Y. AOKI, “Electron-beam excited Ce:LiCAF spectroscopy by a table-top-sized, low-jitter, 3-MeV picosecond electron-beam source with a photo cathode,” Advanced Solid-State Lasers, Quebec City, paper WC6 (2002).
H. OHTAKE, Y. SUZUKI, S. ONO, H. MURAKAMI and N. SARUKURA, “Simultaneous measurement of thickness and water content of thin black films for printing using THz radiation,” Conference on Lasers and Electro-optics, Long Beach, paper CMG6 (2002).
S. ONO, Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. MURAKAMI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, H. SATO, S. MACHIDA, K. SHIMAMURA and T. FUKUDA, “Large-aperture Ce3+:LiCaAlF6 power-amplifier module for the terawatt-class ultraviolet solid-state laser system,” Conference on Lasers and Electro-optics, Long Beach, paper CMS5 (2002).
Y. SUZUKI, S. ONO, H. MURAKAMI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, G. MASADA, H. SHIRAISHI and I. SEKINE, “Generation of 0.336-J, 10-Hz, 266-nm pulses from Nd:YAG laser using large Li2B4O7 nonlinear crystals,” Conference on Lasers and Electro-optics, Long Beach, paper CFE5 (2002).
Y. SUZUKI, H. OHTAKE, S. ONO, T. KOZEKI, M. SAKAI, H. MURAKAMI and N. SARUKURA, “Anomalous magnetic- field dependence of THz-radiation power from femtosecond-laser irradiated InSb and InP,” Conference on Lasers and Electro- optics, Long Beach, paper CFI5 (2002).
H. OHTAKE, H. MURAKAMI, T. YANO, Y. SUZUKI, S. ONO and N. SARUKURA, “Anomalous power and spectrum dependence of THz radiation from femtosecond-laser irradiated InAs under high magnetic field of 14T,” Conference on Lasers and Electro-optics, Long Beach, paper CPDA2-1 (2002).
H. MURAKAMI, H. OHTAKE, T. YANO, H. TAKAHASHI, Y. SUZUKI, S. ONO, N. SARUKURA, G. NISHIJIMA and K. WATANABE, “Anomalous power and spectrum dependence of THz radiation from femtosecond-laser-irradiated InAs in a high magnetic field,” The Asian Pacific Laser Symposium, Osaka, paper ThLD7 (2002).
S. ONO, Y. SUZUKI, T. KOZEKI, H. MURAKAMI, H. OHTAKE, N. SARUKURA, H. SATO, S. MACHIDA, K. SHIMAMURA and T. FUKUDA, “Ce3+:LiCaAlF6 power-amplifier module development for the terawatt ultraviolet femtosecond CPA laser system,” The Asian Pacific Laser Symposium, Osaka, paper FrSB3 (2002).
H. MURAKAMI, H. OHTAKE, T. YANO, S. ONO, H. TAKAHASHI, Y. SUZUKI, N. SARUKURA, G. NISHIJIMA and K. WATANABE, “Anomalous Power and Spectrum Dependence of THz Radiation from Femtosecond-Laser-Irradiated InAs in a High Magnetic Field of 14 T,” IEEE Lasers & Electro-Optics Society, Scotland, paper ThZ3 (2002).
H. OHTAKE, Y. SUZUKI, S. ONO, H. MURAKAMI, N. SARUKURA, T. HIROSUMI and T. OKADA, “Simultaneous measurement of thickness and water content of thin black ink films for printing using THz-radiation,” IEEE Lasers & Electro- Optics Society, Glasgow, paper ThZ4 (2002).
S. ONO, Y. SUZUKI, H. MURAKAMI, T. KOZEKI, H. OHTAKE, S. KOSHIHARA and N. SARUKURA, “The control of optical damage threshold by the chirp of ultraviolet femtosecond pulses,” Conference on Ultrafast Phenomena, Vancouver, paper TuE14 (2002).
Z. LIU, M. HIRANO, T. KOZEKI, S. ONO, N. SARUKURA and H. HOSONO, “Generation of intense 25-fs, 290-nmseed pulses for the terawatt-class ultraviolet solid-state laser system,” Conference on Lasers and Electro-optics, Long Beach, paper CMK6 (2002).
B -4) 招待講演
大竹秀幸、猿倉信彦 , 「極短量子ビームポンプ＆プロープ分析（III）」, 弥生研究会 , 2002年 3 月 .
N. SARUKURA, S. ONO, Z. LIU and T. FUKUDA, “Development for the future TW femtosecond Ce:LiCAF laser,” IEEE Lasers & Electro-Optics Society, Glasgow, November 2002.
T. FUKUDA, H. SATO, A. BENSALAH and N. SARUKURA, “Growth of fluoride single crystals for UV and IR laser applications,” The 8th International Conference on Electronic Materials (IUMRS-ICEM 2002), Xi’ an (China), June 2002. H. SATO, T. FUKUDA, H. MACHIDA, N. SARUKURA and M. NIKI, “Growth of Fluoride Single Crystals as Novel Window Materials for Optical Lithography,” The 2nd Conference on Crystal Growth and Crystal Technology, Hanyang University, Seoul (Korea), August 2002.
B -5) 受賞、表彰
猿倉信彦 , 電気学会論文発表賞 (1994). 猿倉信彦 , レーザー研究論文賞 (1998).
猿倉信彦 , J J A P 論文賞（E R A T O 河村他）(2001). 和泉田真司 , 大幸財団学芸奨励生 (1998). 劉振林 , レーザー学会優秀論文発表賞 (1998).
B -6) 学会および社会的活動 学会の組織委員
F S T '99実行委員会 (1998-1999).
Ultrafast Phenomena プログラム委員 (1997-2002).
応用物理学会プログラム委員 (1997-2002). 電気学会光量子デバイス技術委員 (1998- ). レーザー学会年次大会実行委員 (1998- ). レーザー学会中部支部組織委員 (1998- ).
電気学会アドバンストコヒーレントライトソース調査専門委員会委員長 (2001- ). 第 28回赤外とミリ波に関する国際会議プログラム委員 (2002-2003).
C onference on L aser and E lectro-Optics/ Pacific R im プログラム委員 (2002- ). Ultrafast Phenomena C onference運営委員 (2002-2004).
THz 2003, program committee (2002- ). Ultrafast Optics, program committee (2002- ).
Laser and Nonlinear Optical Materials, program committee (2002- ).
学会誌編集委員
レーザー研究 , 編集委員 (1997- ).
B -7) 他大学での講義、客員
東京大学物性研究所客員助教授 , 1998年 4月 -1998 年 9 月 . 東京大学物性研究所客員助教授 , 2000年 4月 -2001 年 3 月 . 東北大学金属材料研究所客員助教授 , 2000年 10月 -2001 年 3 月 . 宮崎大学工学部非常勤講師 , 1998年 10月 -1999 年 3 月 .
理化学研究所非常勤フロンティア研究員 , 1996年 4月 -.
工業技術院電子技術総合研究所非常勤研究員 , 1994年 4 月 -1995 年 3月 , 1998年 7月 -1998 年 9 月 . 財団法人神奈川科学技術アカデミー非常勤研究員 , 1998年 5 月 -.
National R esearch C ouncil of C anada, 1999年 12 月 . W ien T echnical University, 2000年 6月 .
C ) 研究活動の課題と展望
遠赤外超短パルスレーザーにおいては，その実用という点において，ミリワット級のアベレージパワーを持つテラヘルツ放射 光源の開発が課題となる。現在，我々のグループでは，強磁場を印加することで，平均出力でサブミリワット級のテラヘルツ 電磁波光源の開発に成功している。この光源を用いることで，今まで非常に難しいとされていたテラヘルツ領域の時間分解 分光も容易に行うことが可能となり，様々な興味深い現象を発見してきている。これにより，光による物性制御などの実現が現 実味を帯びてきている。また，新たなテラヘルツ光源として，有機物結晶や磁性半導体にも探索の範囲を広げる方針である。 深紫外波長可変全固体レーザーにおいては大出力化と短波長化が当面の課題である。大出力化は励起配置や増幅光学 系に特殊構造をもたせることによって大きな進歩が見込まれ，短波長化は新たなるレーザー結晶を用いることにより具現化 できる。現在，ロシア，東北大学との共同研究によるC e:L iC A F 結晶を用いて，大出力紫外レーザーの開発を行っている。こ の共同研究により，200 nmより短波長での大出力深紫外波長可変全固体レーザーの実用化は，比較的早期に達成し得る と考えられている。
平 等 拓 範（助教授）
A -1)専門領域：量子エレクトロニクス、光エレクトロニクス、レーザー物理、非線形光学
A -2)研究課題：広帯域波長可変クロマチップレーザーの研究 a) 高性能マイクロチップ固体レーザーの研究
a1)固体レーザー材料の研究 a2)高輝度 Ndレーザーの研究 a3)高性能 Y bレーザーの研究
b)高性能非線形光学波長変換チップの研究 b1)高効率中赤外光発生法の研究 b2)高性能 QPM チップ作成法の研究 b3)多機能非線形波長変換法の研究
A -3)研究活動の概略と主な成果
中赤外域から紫外域にわたる多機能な応用光計測を可能とする高機能・広帯域波長可変クロマチップレーザー（C hromatic Microchip L aser S ystem; C hroma-C hip L aser）をめざして以下のような研究を進めている。
a1) 近年の半導体レーザー（LD）の高出力化，長寿命化などに刺激され，これを励起源とした固体レーザー（DPSSL）の研 究が活発となった。今日DPSSLは，非線形波長変換技術と相まって基礎科学から産業分野にわたる広い領域でブレー クスルーを起こすキーデバイスとして注目されている。DPSSL の代表である 1064 nm 発振 Nd:YAG レーザーは，波
長808 nm で励起されるため量子効率は 76% が限界となり，励起パワーのうち３∼４割が熱となり失われてしまう
問題を有している。そのため極限的な性能を発揮させるためには強励起により顕在化する熱複屈折や熱レンズ，熱 複レンズ，さらには熱による破壊等の様々な熱問題を解決しなければならない。これに対し，我々は希土類イオンの 発光過程を詳細に解析し，量子欠損すなわち発熱を大幅に低減できるホットバンド直接励起（885 nm による4I
9/2準
位から4F
5/2準位への励起）法の有用性をNd
3+高濃度添加YAGを用いることで実証した。さらに，Nd:YVO4，Nd:GdVO4
を用いてスロープ効率80%と量子限界に迫る高効率特性を記録した。一方で，YAGの結晶構造に対する詳細な研究 により，励起に付随し誘起される熱複屈折特性を大幅に改善できる新構成を発見した。YAGに関する研究の殆どは ３０年近く前に成された解析に帰着するが，これに致命的な誤りがあった。基礎に立ち返った検討の結果，従来広く用 いられている熱複屈折解消法を必要としない簡便な手法を提案することができた。また，新材料探索としてNd高濃 度添加の可能なセラミックYAG，YAGの倍程度の熱伝導率を有するY2O3や広利得幅のYSAG，Self-doublingの可能
なGdYCOBなどLD励起マイクロチップ固体レーザーの観点より材料開発に強い他機関と連携しながら研究，開発
を進めている。
a2) 小型固体レーザーの究極であるマイクロチップレーザーの高輝度化をNd系固体レーザーを中心に進めている。こ れまでにモード品質を示す量として導入されつつあるM2因子を用いた設計法を提案，先の直接励起法を適用する ことで，Nd:Y V O4，Nd:GdV O4を用いてスロープ効率 80% と量子限界に迫る高効率特性を記録した。次に，高輝度化 を図るため拡散接合型Nd:Y A G結晶にC r:Y A Gを併用した受動Qスイッチレーザーを開発した。次に，浜松ホトニク ス（株）に技術移転し，パルスエネルギー 500 µJ ，パルス幅 2 ns 出力を単一縦モードのマイクロチップレーザーを実
用化した。これまでに，（独）通信総合研究所等に納入し，人工衛星を用いた実験に適用された。現在，このレーザーの 高機能化として，非線形波長変換による紫外光及び赤外光発生を検討中である。
a3) 90%以上の高い量子効率を有するY b:Y A G は，レーザー下準位が基底準位群に属するため永らくレーザーには不向 きな材料とされてきた。しかしながら，９０年代に入りL Dによる高密度励起の適用により状況は一変した。我々はY b 系固体レーザーでも先導的な研究を行ってきた。高出力化が期待されている Y b:Y A G は，高効率発振が可能と言わ れながらも準四準位レーザーであるため，励起状態に敏感であり，条件によっては，発振効率が大きく損なわれる欠 点を有する。励起光源であるL Dは，ビーム品質が劣悪であるため，その高密度励起光学系の設計が困難であったが， M2因子設計法を改良することで D PS S L の最適化を容易にした。現在，長さ 400 µm のY b:Y A G マイクロチップ結晶 から，常温で，スロープ効率 60% ，C W で 3 W の出力を確認している。また，複合共振器構成により狭線幅で 85 nmと 蛍光幅の９倍にも及ぶ広帯域波長可変動作を実現した。このことは，高平均出力の超短パルスレーザーとしての可 能性を示唆するものと考えている。一方，マイクロチップレーザーの高出力化を図るため，励起パワーのスケーリン グが容易なエッジ励起法を考案し，準 C W 励起により最大出力 130 W ，スロープ効率 63% を達成した。現在，高ビー ム品質を維持しながら，さらなる高出力化を図る新規構成を検討している。
b1) レーザーは高輝度の優れた光源であるが，発振波長が限定されているため応用が制限されていた。非線形光学に基 づく波長変換法ではレーザー光のコヒーレンス特性を損なわずに高効率に異なった波長に変換できる特長を持っ ているが，従来の方法では分子科学に限らず種々の分野から求められている高度な応用には適さなかった。最近提 案された擬似位相整合（Quasi Phase Matching: QPM）波長変換法では，位相整合条件を光リソグラフィによるディジ タルパターンで設計できるため変換効率や位相整合波長が設計できるだけでなく空間領域，周波数領域，時間領域 で位相整合特性を設計できる。
本研究では，OPO，D F Gを組み合わせることで波長6 µm領域の広帯域赤外光を高効率に発生することを検討している。こ こでは，マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（MgO:L iNbO3）にQPM構造を導入したQPM-MgO:L iNbO3を検討している。こ の場合，最適な周期や領域長が決定されれば，光リソグラフィにより１つの結晶上に OPOとD F G の２つの機能を持たせるこ とも可能になる。これまでにOPOによる3 µm域までの中赤外光発生を確認した。現在，6 µm域発生用DFG光源と性能評価
用の分光分析装置を試作開発中である。
b2) QPM デバイスには材料として L iNbO（L N）3 が広く用いられているが，従来の無添加 L N では光損傷のため高温での 動作を余儀なくされていただけでなく，高い抗電界のため薄い素子しか作成できず実用的なQPM素子は望めなかっ た。一方で，MgO添加によりこれらの欠点が克服されることが知られていたがQPM構造を作り込むことは困難とさ れていた。これに対し我々は，分極反転その場観察装置を開発し反転メカニズムの詳細な特性を評価するとともに， 新たに金属電極を用いて，抗電界の温度依存特性を調べることにより最適なプロセスを開発した。結果として，3 mm 厚の MgO:L N を 30 µm周期で QPM 構造を作成することに成功した。
ところで，既存の非線形光学結晶では透明領域が5 ~ 6 µm以下と限られている。一方，高い性能指数を有する化合物半 導体は赤外域でも透明度が高く大きな熱伝導率を有するが，複屈折性を持たないため複屈折位相整合（B PM）が不可能な ため従来は非線形光学結晶としては検討されてこなかった。ここでは，拡散接合によりQPM構造を導入すること検討してお り，そのための新規プロセスを開発中である。
b3) 一方，QPM法では波長変換特性を設計できるものの許容幅が狭くなることが問題であった。非線形材料の分散特性 を詳細に調べ，MgO:L N のd31を用いることで通信に有用な 1.56 µmで∂Λ/∂λ = 0となることを見出し，実験により52 nmの広帯域位相整合特性を実証した。さらに，カスケーディングによるパルス圧縮効果も確認した。このことはQPM
素子により超短パルスの多彩な取り扱いが可能であることを示唆するものであり，今後の展開が期待されている。 その他，これまでに開発した共振器内部 S HG 型 Y b:Y A G マイクロチップレーザーにおいて，500 µW 級の単一周波数青緑 色光を得ている。さらに，同調素子を挿入することで，515.25 ~ 537.65 nmと22.4 nm（24.4 T Hz）にわたる広帯域の波長可 変特性も確認した。この応用として，F e:L iNbO3結晶のフォトリフラクティブ効果を用いた全固体型光メモリ方式を検討し，波 長多重記録に始めて成功した。同一空間への多重記録が可能な波長多重型ホログラフィック体積メモリは，次世代の超高 密度光メモリとして，注目されている。
以上，広帯域波長可変光源をめざして高輝度マイクロチップレーザー，高性能非線形波長変換チップ，さらに新規光源を用 いた新しい応用までを含めた研究開発を進めている。
B -1) 学術論文
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “Highly Efficient Laser Emission in Concentrated Nd:YVO4 Components under Direct Pumping into the Emitting Level,” Opt. Commun. 201, 431–435 (2002).
J. SAIKAWA, S. KURIMURA, I. SHOJI and T. TAIRA, “Tunable Frequency-Doubled Yb:YAG Microchip Lasers,” Opt. Mater. 19, 169–174 (2002).
I. SHOJI, Y. SATO, S. KURIMURA, V. LUPEI, T. TAIRA, A. IKESUE and K. YOSHIDA, “Thermal-Birefringence- Induced Depolarization in Nd:YAG Ceramics,” Opt. Lett. 27, 234–236 (2002).
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “Efficient Laser Emission in Concentrated Nd Laser Materials under Pumping into the Emitting Level,” IEEE J. Quantum Electron. 38, 240–245 (2002).
V. LUPEI, A. LUPEI, S. GEORGESCU, B. DIACONESCU, T. TAIRA, Y. SATO, S. KURIMURA and A. IKESUE,
“High-Resolution Spectroscopy and Emission Decay in Concentrated Nd:YAG Ceramics,” J. Opt. Soc. Am. B 19, 360–368 (2002).
I. SHOJI and T. TAIRA, “Intrinsic Reduction of the Depolarization Loss in Solid-State Lasers by Use of a (110)-Cut Y3Al5O12
Crystal,” Appl. Phys. Lett. 80, 3048–3050 (2002).
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “1064-nm Laser Emission of Highly Doped Nd:yttrium Aluminum Garnet under 885- nm Diode Laser Pumping,” Appl. Phys. Lett. 80, 4309–4311 (2002).
N. E. YU, J. H. RO, M. CHA, S. KURIMURA and T. TAIRA, “Broadband Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation in MgO-Doped Periodically Poled LiNbO3 at the Communications Band,” Opt. Lett. 27, 1046–1048 (2002). T. DASCALU, T. TAIRA and N. PAVEL, “Diode Edge-Pumped Microchip Composite Yb:YAG Laser,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, L606–L608 (2002).
I. SHOJI and T. TAIRA, “Drastic Reduction of Depolarization Resulting from Thermally Induced Birefringence by Use of a (110)-Cut YAG Crystal,” OSA TOPS 68, 521–525 (2002).
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “Highly Efficient Continuous-Wave 946-nm Nd:YAG Laser Emission under Direct 885-nm Pumping,” Appl. Phys. Lett. 81, 2677–2679 (2002).
Y. SATO and T. TAIRA, “Spectroscopic Properties of Neodymium-Doped Yttrium Orthovanadate Single Crystals with High- Resolution Measurement,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, 5999–6002 (2002).
T. DASCALU, T. TAIRA and N. PAVEL, “100-W Quasi-Continuously-Wave Diode Radial Pumped Microchip Composite Yb:YAG Laser,” Opt. Lett. 27, 1791–1793 (2002).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
I. SHOJI and T. TAIRA, “Great reduction of thermally-induced-birefringence depolarization by use of a (110)-cut YAG crystal,” OSA Topical meeting on Advanced Solid-State Lasers 2002, Technical Digest, WE3 (2002).
J. AMAGAI, H. KUNIMORI, H. KIUCHI and T. TAIRA, “A satellite laser ranging system based on a micro-chip laser,” CRL International Symposium on Light Propagation and Sensing Technologies for Future Applications, Technical Digest, March Tokyo, 93–94 (2002).
A. SONE, H. SAKAI, H. KAN and T. TAIRA, “Passively Q-switched high-brightness diode-pumped Nd:YAG micro-lasers,” CRL International Symposium on Light Propagation and Sensing Technologies for Future Applications, Technical Digest, March Tokyo, 101–102 (2002).
I. SHOJI and T. TAIRA, “Great reduction of depolarization loss by use of a (110)-cut YAG crystal,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2002, LongBeach, CA, USA, CTuI5, 178–179 (2002).
T. DASCALU, T. TAIRA, N. PAVEL, Y. AOYAGI and J. SAIKAWA, “Continuous-wave low power diode radial pumped microchip composite Yb:YAG laser,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2002, LongBeach, CA, USA, CWG2, 389–390 (2002).
N. E. YU, J. H. RO, M. CHA, S. KURIMURA and T. TAIRA, “Broad band quasi-matched second harmonic generation in periodically poled lithium niobate at 1550nm,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2002, LongBeach, CA, USA, CWL6, 420–421 (2002).
V. LUPEI, N. PAVEL, T. TAIRA and A. IKESUE, “CW and passively Q-swiched 1064-nm laser emission of concentrated Nd:YAG components under 885-nm diode laser pumping,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2002, LongBeach, CA, USA, CThO16, 512–513 (2002).
H. ISHIZUKI, S. KURIMURA, M. CHA and T. TAIRA, “Optically monitored poling characteristics of 3 mm-thick MgO:LiNbO3 crystal,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2002, LongBeach,CA, USA, CFE2, 642 (2002). V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “Highly efficient 946 CW 946-nm Nd:YAG laser emission under direct 885-nm pumping,” Technical digest of International Quantum Electronics Conference, IQEC/LAT 2002, June 22-28, Moscow, QMF2, 237 (2002).
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “One-micron laser emission in concentrated Nd:NdVO4 crystals,” Technical digest of International Quantum Electronics Conference, IQEC/LAT 2002, June 22-28, Moscow, QSuR32, 237 (2002).
W. K. JANG, T. TAIRA, T. H. KIM, Y. M. YU and H. S. KIM, “Improved lasing property of neodymium doped lanthanum scandium borate microchip laser,” Proceedings of SPIE, 4918, 259–266 (2002).
B -3) 総説、著書
平等拓範 , 「光学界の今とこれから∼ひろがる光の世界∼」, 日本光学会創立 50 周年記念企画 C D -R OM, 光学 31, 付録 (2002).
池末明生、平等拓範、吉田國雄, 「極低散乱を有するNd:Y A Gセラミックスの製造と多結晶媒質を用いた高性能レーザーの 開発」, Fine Ceramics Report 20, 192–197 (2002).
T. TAIRA, J. SAIKAWA, T. KOBAYASHI and R. BYER, “Diode-pumped tunable Yb:YAG miniature Lasers at room temperature: modeling and experiment,” SPIE Milestone Series MS173, Tunable Solid-State Lasers, SPIE Optical Engineering Press, 375–379 (2002).
B -4) 招待講演
庄司一郎、平等拓範, 「セラミックスNd:Y A Gレーザーの光学的基本特性と展望」, レーザー学会学術講演会第22回年次大 会 講演予稿集 , 38-39, 大阪 , 2002年 1月 .
平等拓範 , 「マイクロチップレーザー」, 第 4回光材料・応用技術研究会 , 東京 , 2002年 3月 .
平等拓範、庄司一郎、池末明生 , 「マイクロチップ・セラミックレーザー」, 平成 14 年電気学会全国大会シンポジウム, 東京 , 2002年 3月 .
T. TAIRA, “Nd-ceramic laser material,” Boeing Co., CA (U. S. A. ), May 2002. T. TAIRA, “Microchip ceramic lasers,” HRL Lab., CA (U. S. A. ), May 2002.
T. TAIRA, “Ceramic laser material,” US Army Workshop on Solid-State Lasers, Long Beach (U. S. A. ), May 2002. T. TAIRA, “Ceramic laser material,” Stanford Univ., CA (U. S. A. ), May 2002.
T. TAIRA, “The promise of ceramic lasers,” SPRC, Stanford (U. S. A. ), September 2002.
T. TAIRA, “Laser performance of transparent ceramics,” Stanford Univ., Ginzton lab., U. S. A., December 2002.
B -5) 受賞、表彰
平等拓範 , 第 23回（社）レーザー学会業績賞（論文賞） (1999). 平等拓範 , 第 1回（財）みやぎ科学技術振興基金研究奨励賞 (1999). 平等拓範 , 他 , 第 51回（社）日本金属学会金属組織写真奨励賞 (2001). 平等拓範 , 他 , (社)日本ファインセラミックス協会技術振興賞 (2002). 庄司一郎 , 第 11回（2001年秋季）応用物理学会講演奨励賞 (2001). 斎川次郎 , 応用物理学会北陸支部発表奨励賞 (1998).
B -6) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
平等拓範 , レーザー学会 , レーザー素子機能性向上に関する専門委員会幹事 (1997-1999). 平等拓範 , レーザー学会 , 研究会委員 (1999- ).
平等拓範 , 電気学会 , 高機能全固体レーザと産業応用調査専門委員会幹事 (1998- ). 平等拓範 , レーザー学会 , レーザー用先端光学材料に関する専門委員会委員 (2000- ). 平等拓範 , レーザー学会 , 学術講演会プログラム委員 (2001- ).
平等拓範 , L A S E R S 2001, 国際会議プログラム委員 (2001- ). 平等拓範 , 米国スタンフォード大学 , 客員研究員 (1999-2002). 平等拓範 , 宮崎大学 , 非常勤講師 (1999-2000).
平等拓範 , 福井大学 , 非常勤講師 (1999- ). 平等拓範 , 理化学研究所 , 非常勤研究員 (1999- ).
平等拓範 , 物質・材料研究機構 , 客員研究員 (2001- ). 庄司一郎 , 日本光学会 , 企画・事業担当幹事(2001- ). 科学研究費の研究代表者、班長等
平等拓範 , 基盤 B (2) 展開研究(No. 10555016) 研究代表者 (1998-2000). 平等拓範 , 基盤 B (2) 一般研究(No. 11694186) 研究代表者 (1999-2001). 平等拓範 , 地域連携推進研究(No. 12792003) 研究代表者 (2000-2002).
平等拓範 , 科学技術振興調整費（産学官共同研究の効果的な推進）研究代表者 (2002- ).
B -7) 他大学での講義、客員
福井大学工学部 , 「電子工学特別講義第三」, 2003年 1月 9日 .
C ) 研究活動の課題と展望
結晶長が 1 mm以下のマイクロチップ固体レーザーの高出力化，高輝度化，多機能化と高性能な非線形波長変換方式の 開発により従来のレーザーでは困難であった，いわゆる特殊な波長領域を開拓する。このため新レーザー材料の開発，新レー ザー共振器の開発を行う。さらに，マイクロチップ構造に適した発振周波数の単一化，波長可変化，短パルス化についても 検討したい。この様な高輝度レーザーは多様な非線形波長変換を可能にする。そこで，従来の波長変換法の限界を検討す るとともに，これまでの複屈折性を用いた位相整合法では不可能であった高機能な非線形波長変換を可能とする新技術で ある擬似位相整合法のためのプロセス及び設計法の研究開発を行う。
近い将来，高性能の新型マイクロチップ固体レーザーや新しい非線形波長変換チップの研究開発により，中赤外域から紫 外域にわたる多機能な応用光計測を可能とする高機能・広帯域波長可変クロマチップレーザー（C hromatic Microchip L aser S ystem; C hroma-C hip L aser）が実現できると信じている。
分子スケールナノサイエンスセンター
分子金属素子・分子エレクトロニクス研究部門
夛 田 博 一（助教授）
A -1)専門領域：有機エレクトロニクス、分子スケールエレクトロニクス
A -2)研究課題：
a) 有機薄膜電界効果トランジスターの作製と動作機構の解明 b)ナノギャップ電極の作製と有機デバイスへの応用
c) シリコン−炭素ナノインターフェースの構築 d)スピン偏極 S T M の開発
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 極低温４端子プローバーの導入により，F E T 特性の温度変化を測定することが可能となった。試料としてB T QB T（東 京工業大学・山下敬郎教授の合成）を用いたところ，成膜温度が室温の場合は，100ナノメーター前後の球状結晶とな り，80℃で成膜した場合に長さ数ミクロンにもおよぶ針状結晶が得られた。球状晶の電界効果移動度は温度を下げ ると低くなるのに対し，針状晶の移動度は，低温域でも下がることがなく，結晶粒界がキャリア輸送に重要な役割を 果たしていることがわかった。
b)リソグラフィー法によりより作製したマイクロギャップ電極を，電気メッキにより太らせ，ナノメーターサイズの ギャップを有する電極を作製した。片側を金，反対側を銀というように仕事関数の異なる金属でメッキすることに より，キャリアの注入障壁に関する知見を得た。
c) 水素終端シリコン(111)面に 1- アルケンなど末端に２重結合を有する分子を反応させることにより，均一な単一分 子薄膜の作製を行ない，その構造を原子間力顕微鏡（A F M），接触角測定，分子シミュレーションにより調べた。今年 度は，シリコン製カンチレバーにこの手法を適用して，カンチレバー表面をさまざまな有機分子でコーティングし， 摩擦力顕微鏡像を観察した。
d)極低温，強磁場中での分子像観察に成功した。今後，強磁性探針を用いて，スピンの異なるトンネル電子像を観察す る。
B -1) 学術論文
M. TAKADA, H. YOSHIOKA, H. TADA and K. MATSUSHIGE, “Electrical Characteristics of Phthalocyanine Films Prepared by Electrophoretic Deposition,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, L73–L75 (2002).
M. TAKADA, H. GRAAF, Y. YAMASHITA and H. TADA, “BTQBT Thin Films: A Promissing Candidate for High Mobility Oragnic Fieled Effect Transistors,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, L4–L6 (2002).
M. ARA, H. GRAAF and H. TADA, “Nanopatterning of Alkyl Monolayers Covalently Bound to Si(111) with An Atomic Force Microscope,” Appl. Phys. Lett. 80, 2565–2567 (2002).
M. ARA, H. GRAAF and H. TADA, “Atomic Force Microscope Anodization of Si(111) Covered with Alkyl Monolyaers,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, 4894–4897 (2002).
H. GRAAF, M. ARA and H. TADA, “Force Curve Measurement of Self-Assembled Organic Monolayers Bound Covalently on Silicon (111),” Mol. Crsyt. Liq. Cryst. 377, 33–35 (2002).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
M. TAKADA, Y. YAMASHITA and H. TADA, “Field Effect Transistors of BTQBT and Its Derivatives,” MRS Proc. P.10.3 (2002).
B -3) 総説、著書
H. TADA and S. TANAKA, 「分子スケールの電気特性測定」, K. MTATSUSHIGE and K. TANAKA, Eds., 「分子ナノテク ノロジー」, 化学同人 (2002).
B -6) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
応用物理学会有機分子バイオエレクトロニクス分科会常任幹事 (1995-1997, 1999-2001). 電気学会ハイブリッドナノ構造電子材料調査専門委員会委員 (1997-1999).
化学技術戦略推進機構 インターエレメント化学ワーキンググループ委員 (2000-2001). 化学技術戦略推進機構 コンビナトリアル材料化学産官学技術調査委員会委員 (2000-2001). 学会の組織委員
光電子機能有機材料に関する日韓ジョイントフォーラム2000 組織委員 (2000, 2001, 2002).
環太平洋国際化学会議におけるシンポジウム “Ordered Molecular Films for Nano-electronics and Photonics,” 組織委員 (2000).
学会誌編集委員
「表面科学」編集委員 (1994-1996).
B -7) 他大学での講義、客員
京都大学工学研究科電子物性工学専攻 , 「分子エレクトロニクス」, 2000 年 , 2001年 , 2002年後期 . 東京工業大学応用セラミックス研究所 , 非常勤講師 , 2001 年 2 月 .
C ) 研究活動の課題と展望
有機電界効果トランジスタ（OF E T ）は，１９９０年代後半になりペンタセン蒸着膜が，アモルファスシリコンに匹敵する1 cm2/V s 程度の正孔移動度を示したことや，大気中でも安定なn型半導体特性を示す材料が見出されたこと，インクジェットプリント やスクリーン印刷のような簡便な手法で作製できることが示されたことにより，有機E L デバイスの市場化の動きとも相俟って， 米国，ドイツ，オランダなどでフレキシブル化，低コスト化を意図した全有機デバイスの開発研究が活発化している。一方，無 機半導体デバイスにおける微細化の物理的・技術的限界が見え始め，新しいパラダイムに基づくデバイス設計の必要性が 指摘されている。そのひとつとして，有機分子を高度に組織化した分子スケール素子が検討されている。走査プローブ顕微 鏡をはじめとするナノ計測・加工ツールの急速な進歩により，構成要素となる単一分子あるいは小数分子系の電気特性を計 測することも可能となり，分子スケールエレクトロニクスとよばれる研究領域が着実に広がっている。基礎特性を調べる方法
のひとつとして，電界効果トランジスター構造が用いられ，１本のカーボンナノチューブや単一分子を用いた研究が行われて いる。有機デバイスおよび分子デバイスの実現のために避けて通れない主な課題は下記の３点である：①不純物の問題，吸 着ガスの問題，②信号（キャリア）の入出力インターフェースの問題，③グレイン境界でのキャリア輸送の問題。我々は，前述 のアプローチでこれらの問題解決の糸口を掴みたいと考えている。
鈴 木 敏 泰（助教授）
A -1)専門領域：有機合成化学
A -2)研究課題：
a) 電界効果トランジスタのための有機半導体の開発 b) 有機 E L 素子のため高効率燐光錯体の開発
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 有機物を用いた半導体デバイスは，エレクトロニクス産業に与える影響が大きいことから，基礎・応用研究として大 きな注目を集めている。有機エレクトロニクス素子は，フレキシブルな基板が使えるなどシリコン半導体にはない 特徴が活かせる可能性がある。我々は，新規な有機半導体としてアセンオリゴマーを提案し，ナフタレンオリゴマー
（nN）およびアントラセンオリゴマー（nA）をS uzukiカップリング反応により合成した。ナフタレンオリゴマーは無 色結晶，アントラセンオリゴマーは明るい黄色結晶である。3N，4N，2A，および3Aは高い融点と耐熱性をもつが，ジ ヘキシル体DH-2AおよびDH-3Aはアルキル基により分解温度が低下した。ナフタレンオリゴマーは溶液で青紫色， 固体で青色の強い蛍光を示す。アントラセンオリゴマーは溶液で青色，固体で青緑から緑色の強い蛍光を示す。電気 化学測定によると，アントラセンオリゴマーは比較的安定なラジカルカチオンを与えるが，酸化電位はテトラセン より高い。真空蒸着によって作成したアセンオリゴマーの薄膜は高い結晶性を示し，S iO2/Si基板に垂直か少し傾い て立っている。3N および 4N の FET を種々の基板温度で作成したが，F E T 動作は観測されなかった。一方，アントラ センオリゴマーではトランジスタ動作が見られ，移動度が2A < 3A < DH-2A < DH-3Aの順で向上した。特にDH-3A は 0.18 cm2/V s とアモルファスシリコンに近い移動度を持つ。チオフェンオリゴマーは最もよく研究された有機ト ランジスタ材料であるが，アントラセンオリゴマーはそれより優れていることがわかった。F E T の移動度を上げる ためは，有機半導体のイオン化電位を下げることより薄膜の質を向上させることのほうが重要である。そのため，分 子を秩序よく並べ，欠陥を少なくすることを第一に考えて分子設計する必要がある。[K. Ito, T. Suzuki, Y. Sakamoto, D. Kubota, Y. Inoue, F. Sato and S. Tokito, Angew. Chem. Int. Ed. in press]
b) 有機エレクトロルミネッセンス（E L ）素子は，次世代のフラットパネルディスプレーとして盛んに研究開発が行わ れている。特に最近では，高効率の燐光発光材料であるイリジウム錯体が大きな注目を集めている。我々は，パーフ ルオロフェニル基で置換された高効率イリジウム錯体を開発した。これらの錯体は発光層のドーパントとして黄緑 色からオレンジ色の発光を示し，外部量子収率は12%以上，最高で14.7%に達することがわかった。錯体のみを発光 層とした場合でも，量子収率は 6.2% を記録した。
B -1) 学術論文
S. KOMATSU, Y. SAKAMOTO, T. SUZUKI and S. TOKITO, “Perfluoro-1,3,5-tris(p-oligophenyl)benzenes: Amorphous Electron-Transport Materials with High Glass-Transition Temperature and High Electron Mobility,” J. Solid State Chem. 168, 470–473 (2002).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
N. SHIRASAWA, T. TSUZUKI, T. SUZUKI and S. TOKITO, “Perfluorophenyl-Substituted 2-Phenylpyridine Iridium Complexes: Efficient Materials for the Emission Layer of OLEDs,” Proceedings of the Ninth International Display Workshops 1207–1209 (2002).
B -4) 招待講演
鈴木敏泰, 「完全にフッ素化された芳香族オリゴマーの合成と有機E L およびトランジスタへの応用」, 第2回F& F特別セミナー, 東 京 , 2002年 5月 .
C ) 研究活動の課題と展望
最近，次世代の有機電子材料として｢単一分子素子｣や「ナノワイヤー」等のキーワードで表される分野に注目が集まってい る。S PM技術の急速な発展により，単一分子メモリ，単一分子発光素子，単一分子ダイオード，単一分子トランジスタなど基 礎研究が現実的なものとなってきた。一個の分子に機能をもたせるためには，従来のバルクによる素子とは異なった分子設 計が必要である。計測グループとの密接な共同研究により，この新しい分野に合成化学者として貢献していきたい。現在行っ ている有機半導体の開発は，単一分子素子研究の基礎知識として役立つものと信じている。
田 中 彰 治（助手）
A -1)専門領域：構造有機化学、分子スケールエレクトロニクス
A -2)研究課題：
a) ナノ電子工学との融合を目指した大型分子機能システムの開発
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 極限の機能集積度（１機能ユニット／平方ナノメータ）を有する「真に分子レベルの電子情報処理システム」の創出 に至る根幹技術として，単一の大型平面分子骨格内に多種多様な分子機能ユニットを定序配列に作り込むプレー ナー型モノシリック機能集積化アーキクチャの開拓が求められている。そのための基盤研究として本プロジェクト では，i) 電子構造制御用分子ブロック，ii) 被覆型分子ワイヤーブロック，iii) 分子ジャンクションブロック，iv) 分子 アンカーブロックといった要素機能モジュール群の開発，並びにその大規模組織化法の新規開発を進めている。本 件では固体基板上を分子機能の発現場と設定しており，今年度は主に各種分子モジュールの「基板表面上における 分子構造-物性相関」について検討を行った。計測容易な溶液系（よって分子スクリーニングも容易）における構造− 物性相関との比較から，「表面分子系に特有な分子設計指針」について解明を進めている。
B -1) 学術論文
M. TACHIBANA, S. TANAKA, Y. YAMASHITA and K. YOSHIZAWA, “Small Bandgap Polymers Involving Tricyclic Nonclassical Thiophene as a Building Block,” J. Phys. Chem. B 106, 3549–3556(2002).
B -3) 総説、著書
多田博一、田中彰治 , 「分子スケールの電気特性測定」, 分子ナノテクノロジー 化学同人 , pp. 65–72 (2002).
B -4) 招待講演
田中彰治 , 「有機合成量子化学からの分子スケール・エレクトロニクス素子開発」, 産業技術総合研究所 , つくば , 2002 年 10 月 .
田中彰治, 「固体基板上における自己組織化能を有する大型パイ共役分子の開発」, 中化連・特別討論会「ナノテクノロジー への錯体化学の寄与」, 名古屋 , 2002年 10 月 .
田中彰治, 「構造有機化学の新天地― 有機量子化学と量子デバイス工学の融合領域としての分子スケールエレクトロ ニクス」, 新潟大学理学部講演会 , 新潟 , 2002年 12月 .
B -6) 学会および社会的活動 学会の組織委員
分子研分子物質開発研究センター・特別シンポジウム「分子スケールエレクトロニクスにおける新規分子物質開発」主催 者 (1998).
応用物理学会・日本化学会合同シンポジウム「21世紀の分子エレクトロニクス研究の展望と課題―分子設計・合成・ デバイスからコンピュータへ―」日本化学会側準備・運営担当 (2000).
第 12回日本ＭＲＳ学術シンポジウム：セッション H「単一電子デバイス・マテリアルの開発最前線 ∼分子系・ナノ固体系 の単一電子デバイス∼」共同チェア (2000).
First International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics, 組織委員 (2001).
C ) 研究活動の課題と展望
近年，応用物理系領域においてナノ分子デバイスの動作実証研究が盛んとなっているが，それらの研究例はバルク電極の 一部を微細化して形成したナノギャップ内に単一（少数）分子を配置した「ハイブリッド型分子素子」について行われたもの である。しかし，そのようなバルク電極や配線部材を構築要素として多用する系では，「真に単一分子レベルの情報処理シ ステム」にまでは原理的に進展しえない。この限界を打破するための新概念が，情報処理に必要とされる一連の基本機能 ユニットを単一巨大分子内に定序配列に組み込む「モノリシック型分子アーキテクチャ」である。容易に予想されるように，こ の新分子アーキテクチャの具現化のためには，ハイブリッド型と比較してはるかに複雑で困難な分子開発が必要となる。だ からこそ「機能分子の設計／合成だけで飯を食える」べく訓練された構造有機化学者が突破口を切り開く責任を有するもの と考えている。
ナノ触媒・生命分子素子研究部門
永 田 央（助教授）
A -1)専門領域：有機化学、錯体化学
A -2)研究課題：
a) 光励起電子移動を利用した触媒反応の開発
b) 金属錯体およびポルフィリンを用いた光合成モデル化合物の合成 c) 大型有機分子を用いたナノ反応場の設計と制御
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) ポルフィリンの光励起電子移動を利用したアルコールの酸化反応系について，反応機構を詳細に調べた。ベンジル アルコール，T E MPO(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy)，2,5- ジ -t- ブチル -1,4- ベンゾキノンのピリジン溶液に触媒 量のポルフィリンを加えて可視光照射すると，ベンズアルデヒドが生成する。T E MPOは反応に必須であり，T E MPO が一電子酸化されたオキソアンモニウムカチオンが反応活性種であることを示唆している。このことは，さまざま な基質に対する反応性のパターンからも裏付けられた。反応初期速度は基質濃度に依存し，オキソアンモニウムと 基質の反応が律速段階に関わっていることがわかる。一方，キノンの濃度を変化させたところ，興味深いことにキノ ンの濃度増大とともに初速度が減少することがわかった。この奇妙な挙動は，ポルフィリンの励起三重項から反応 が進行していると考えると理解できる。すなわち，キノンの濃度が高くなると，励起一重項のキノンによる直接消光 のために，励起三重項の収率が低くなる。励起三重項状態の量子収率のキノン濃度依存性は S tern-V olmer プロット の結果から見積もることができ，初速度のキノン濃度依存性と一致する傾向を示した。また，これとは別にT E MPO 濃度に対する初速度の依存性を調べたところ，比較的低い濃度領域で初速度対濃度の傾きが減少しはじめ，25 mol% 付近で飽和する傾向が見られた。T E MPOが反応活性種の前駆体であることを考えるとこの結果もまた奇妙である が，T E MPOは芳香族分子の励起三重項状態をエネルギー移動で失活させることが知られており，三重項経由の反応 を仮定することでこの現象も矛盾なく説明できる。これらの結果を元にして，予想される反応機構を図式化した。 ところで，本反応の量子収率は0.1%であり，実用化するにはあまりにも低い。提案した反応機構では，光励起を受けた後に
生成物に至らずに失活してしまう非生産的経路が少なくとも４種類存在しており，これらの経路を抑制することで原理的には 反応効率を上げることができる。しかしながら，これらの経路はいずれも反応に不可欠な要素（キノンやT E MPO）が起こす副 反応であり，反応条件を多少調整する程度では大きな改善は見込めない。それぞれの非生産的経路を選択的に阻害する ための特別な分子設計が必要であると考えられる。
c) 光反応を制御するための反応場構築への一段階として，金属ナノ粒子・有機分子複合体の合成に取り組んだ。3-アセ チルチオ-1-プロピルオキシ基を有するベンゼン環をチオエーテル結合で９個または１５個結合した三脚型分子を合 成し，これを用いて金とパラジウムのナノ粒子の安定化を試みた。適切な条件を選択することで有機溶媒中で安定 なコロイド溶液を調製でき，2–4 nmの粒子が電子顕微鏡により確認できた。同じ条件で三脚型分子を除いて調製す ると不溶性の沈澱（単体金属と思われる）が生成することから，ナノ粒子の安定化に三脚型分子が寄与していること が示された。
B -1) 学術論文
T. NAGATA and K. TANAKA, “Syntheses of a 6-(2-Pyrrolyl)-2,2’-bipyridine Derivative and Its Ruthenium Complex,” Bull. Chem. Soc. Jpn. 75, 2469–2470 (2002).
C ) 研究活動の課題と展望
着任以来人工光合成系の研究を進めており，本年度は１つの光酸化反応についてほぼ全貌を明らかにした。同時に，今後 この反応を光物質変換系に展開していくにあたって，解決すべき問題点も数多く明らかになった。いくつかの問題点を解決 する分子設計のアイデアを現在暖めている。来年度はこのアイデアに基づいていくつかの新しい分子を合成して検証を行 う予定である。
もう１つ来年度に実現すべきものは，T E MPO酸化反応との同時進行が可能な還元反応の開発である。これが実現できれば， 光エネルギーを用いてアルコールの酸化と別の還元反応を同時に進行させ，犠牲基質を用いない光物質変換が可能とな る。本グループで以前開発した光還元反応は，残念ながらT E MPO還元反応との組み合わせに適さないことが明らかとなっ た（未発表）。これまでにも還元反応のスクリーニングは行ってきたが，光酸化反応の詳細が明らかになったことを踏まえて， 別の視点から新たな反応探索に取り組もうと考えている。
(c)は本年度から本格的に取り組んでいる課題で，現在はまだナノ粒子の合成と同定に苦労している段階である。課題の欄 に「ナノ反応場」と記述した通り，これらの粒子には酸化還元反応の場としての機能を期待している。遅くとも来年度の後半 には，これらのナノ粒子を用いた電子移動化学に本格的に参入したいと考えている。上に示した通り現時点では還元反応 の開発が急務であるため，ナノ粒子に電子をため込み還元反応を駆動する，という方向で研究を進める。
ナノ光計測研究部門
佃 達 哉（助教授）
A -1)専門領域：物理化学、クラスター科学
A -2)研究課題：
a) サブナノ金属クラスターの調製と構造評価 b) 金属クラスター表面上の単分子膜の構造と安定性 c) 質量分析法を用いたナノクラスターの構造評価
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 金属クラスターは，気相と固・液相の中間に位置する物質相として基礎理学をはじめとして様々な応用分野で注目 を集めている。なかでも数個から数十個からなるサブナノメートルスケールの金属クラスターは，バルクとは異な る特異的な性質・機能を示すことが期待されているが，その調製法は未開拓であり，それを確立することは重要な課 題のひとつに挙げられる。我々は，チオール分子が持つ還元能と金属クラスターに対する保護能を利用した簡便な 調製法を開発した。
a1) 塩化パラジウムとアルカンチオールとの反応では，チオラート錯体の他に低収率（~ 20%）ながら，アルカンチオー ルで安定化されたPdクラスターが生成することを見い出した。レーザー脱離イオン化質量分析法を用いて，これら の組成とコアサイズの分布を調べたところ，20量体を中心に60量体程度までが生成していること，構成原子数に対 して6割という高い被覆率でチオールが配位していることが分かった。また，吸収スペクトルから，これらのPdクラ スターが金属的な性質を失い，分子的（絶縁体的）な性質が発現していることを明らかにした。
a2) ジメルカプトこはく酸（DMSA ）などのジチオールと金属塩を反応させたところ，金属サブナノクラスターの収率が 飛躍的に向上した。このことは，分子内でジスルフィドを生成する過程が，金属塩の還元を促進することを示唆して いる。また，例えば金イオンとDMSA の反応ではA u13(D MSA )8が効率良く生成したが，これは立方八面体構造のA u13
の 8 つの(111)面にそれぞれ１つの D MS A が配位した構造の特異的な安定性によるものと考えられる。
b) チオールなどの有機単分子膜はただ単に金属クラスターを保護・安定化するだけでなく，電子輸送などの物性や超 格子形成能などの発現に直結した重要な構造因子である。本研究では，一連のアルカンチオールCnH2n+1SH (n = 10,
12, 14, 16, 18) によって保護されたパラジウムクラスター（直径~ 3 nm）を調製し，その単分子膜の構造と安定性を
ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC ），透過型電子顕微鏡（T E M ），フーリエ変換赤外分光（ F T -IR ）を用いて系統的に 調べた。その結果，n = 16, 18ではアルカン鎖はすべてトランス形の配座を持った結晶性の高い単分子膜を形成して いるのに対して，n = 10, 12, 14 ではゴーシュ形の欠陥を含む液体的な膜構造を形成することがわかった。n ≥ 16 で は強固で均一な膜が形成されることを利用して，GPC によってコアのサイズ評価およびサイズ選別が可能であるこ とを示した。一方，n ≤ 14ではチオール配位子が金属を伴って脱離する過程が観測されたが，このことはこれらのク ラスターではエッチングや配位子交換などのナノ加工が可能であることを示唆している。
c) 質量分析法を用いて以下に挙げる様々なクラスターの構造解析を行った。
c1) 電子衝撃−超音速ジェット法によって(CO2)n–を生成し，そのサイズ分布を求めた。負イオン状態に固有の安定性に
起因する魔法数のほかに，60量体から1000量体に渡って規則的な周期構造が観測された。シェルモデルに基づく解 析の結果，C O2クラスターは立方八面体構造を持ち，観測された周期構造はこのファセットを逐次的に埋めること によるものであると結論した。1 µm程度のサイズのドライアイス結晶が八面体構造を持つことから，CO2クラスター
では切頭（truncation）によって表面エネルギーを抑えていることがわかった。本研究は，永田敬教授（東大院総合）と の共同研究である。
c2) C60，C70を加熱気化し，放射線（アメリシウム）およびコロナ放電によってイオン化し，質量分析を行った。放射線に よるイオン化では，C60，C70の親イオンのみが観測されたが，放電イオン化では酸化物イオンが観測された。フロー アルゴン中の酸素添加量により酸化の程度は制御が可能であり，最大30，35個程度までの酸素原子が付加したヘテ ロフラーレンの生成が始めて確認された。本研究は，田中秀樹博士（理研）との共同研究である。
c3)「ナノテクノロジー総合支援プロジェクト」の一環として，全国の大学の研究者と協力して，液相法で調製した金属 や半導体のクラスターの質量分析を行っている。配位子の種類やコアサイズの領域やその分散度に応じて，イオン 化法（レーザー脱離イオン化法またはエレクトロスプレーイオン化法）や試料の前処理などを試行錯誤によって最 適化しているのが現状であるが，一部のサンプルについては分析に成功しており，これを足掛かりとして汎用性を 高める努力を継続して行っている。
B -1) 学術論文
Y. NEGISHI, H. MURAYAMA and T. TSUKUDA, “Formation of Pdn(SR)m Clusters (n < 60) in the Reactions of PdCl2 and RSH (R = n-C18H37, n-C12H25),” Chem. Phys. Lett. 366, 561–566 (2002).
Y. NEGISHI, T. NAGATA and T. TSUKUDA, “Structural Evolution in (CO2)n Clusters (n < 103) as Studied by Mass Spectrometry,” Chem. Phys. Lett. 364, 127–132 (2002).
T. TSUKUDA, L. ZHU, K. TAKAHASHI, M. SAEKI and T. NAGATA, “Photochemistry of (NO)n– – as Studied by Photofragment Mass Spectrometry,” Int. J. Mass Spectrom. 220, 137–143 (2002).
H. SAKURAI, T. TSUKUDA and T. HIRAO, “Pd/C as a Reusable Catalyst for the Coupling Reaction of Halophenols and Arylboronic Acids in Aqueous Media,” J. Org. Chem. 67, 2721–2722 (2002).
H. SAKURAI, T. HIRAO, Y. NEGISHI, H. TSUNAKAWA and T. TSUKUDA, “Palladium Clusters Stabilized by Cyclodextrins Catalyse Suzuki-Miyaura Coupling Reactions in Water,” Trans. Mater. Res. Soc. Jpn. 27, 185–188 (2002).
B -3) 総説、著書
根岸雄一、佃 達哉 , 「金属クラスターの液相合成と質量分析」, エアロゾル研究 17, 18–22 (2002).
B -4) 招待講演
佃 達哉 , 「クラスターの科学―原子・分子小集団が織りなす機能―」, 平成 14 年度国研セミナー, 岡崎市 , 2002年 6 月 .
佃 達哉 , 「表面修飾による金属クラスターの安定化と機能化」, 第 23回触媒夏の研修会 , 山梨県南都留郡 , 2002年 8月 . 佃 達哉 , 「クラスターの科学―原子・分子小集団が織りなす機能―」, 平成 14 年度東部高齢者教室 , 安城市 , 2002 年 10 月 .
B -5) 受賞、表彰
佃 達哉 , 第 11回井上研究奨励賞 (1995).
B -6) 学会および社会的活動 学会誌編集委員
「ナノ学会」編集委員 (2002).
C ) 研究活動の課題と展望
チオール単分子膜で保護された金属クラスターを主たるターゲットとして，研究を進める。特に，サブナノ領域のクラスターを 扱う際には精度の高いサイズ選別法を確立することが不可欠であるが，当面は金属ナノ粒子との対比を通して，サブナノ 領域のクラスターの電子的，構造的特徴を浮き彫りにすることを念頭に置く。実際のテーマとしては，E X A F Sなどによる構造 解析，電子分光による電子構造解明，磁性や発光などの機能探索を考えている。また，これらの金属クラスターを機能単位 として生かすための基盤技術を開発するという観点から，光や熱による配位子脱離過程や表面基板への固定化反応につ いての基礎的な実験に着手したい。将来的には，これらの技術を総動員して金属クラスター触媒系を構築し，その機能を調 べてゆきたい。
界面分子科学研究部門（流動研究部門）
小宮山 政 晴（教授）
A -1)専門領域：触媒表面科学、光表面化学
A -2)研究課題：
a) 走査型トンネル顕微鏡（ S T M ）による光触媒励起状態の空間分解分光 b)S T M による脱硫触媒活性点構造の解明
c) 燃料電池用水蒸気改質触媒の開発
d)アパチャレス近接場光学顕微鏡（ S NOM ）の試作
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) S T M を用いて，紫外・可視光による光触媒励起状態の原子レベルでの空間分布測定を試みた。ルチル型T iO2(110)表 面においては，特定の構造部分が特定波長の光照射に対して応答することが見出された。たとえば325 nmの紫外光 照射に対しては(110)面のほぼ全域が応答したが，とくにステップ部分の応答が著しかった。一方442 nmの可視光を 使用した場合には，ルチル型T iO2のバンドギャップが3.2 eV であるにもかかわらず，ステップの一部ならびに(2×1) 表面再構成構造の一部が光照射に応答した。現在この光応答の局所構造依存性を，局所電子状態から解釈しようと 試みている。
b)近年の燃料油中の硫黄含量規制の強化を受けて，石油系燃料の深度脱硫の重要性が増してきている。このプロセス では通常C o-Mo硫化物系の触媒が使用されるが，その活性点構造は必ずしも明らかではない。そこでST MによりC o- Mo硫化物系触媒の調製過程と活性点構造を明らかにするための研究を開始した。本触媒系は調製途中で硫化水素 による硫化が必要になるため，ST Mの前処理室として硫化処理専用のチャンバを製作した。現在，二硫化モリブデン の基底面にC oカルボニルを吸着させ，これを分解・硫化して調製したモデルC o-Mo硫化物の表面構造を原子レベル で観察し，MoS2上でのコバルトカルボニルの吸着位置や分解・硫化後の Mo，C o，S 各原子の相対位置の解明を試み ている。
c) 水素燃料電池を用いた発電は，環境負荷の低さならびに装置の小ささからくる分散電源としての可能性から，将来 家庭における主要な発電装置として期待されている。オンサイトでの水素発生には，都市ガスやプロパン，灯油など を水蒸気改質する必要があり，そのための長寿命・高効率触媒の開発が急務となっている。ここでは灯油を燃料とす る場合を想定して，その水蒸気改質触媒の開発と評価を開始した。現在R u/α-Al2O3系触媒の寿命・活性の評価方法に ついて検討中である。
d)アパチャレス S NOM は，通常の S NOM の分解能が光ファイバプローブの開口径で制限されるのに対して分解能の 制限がなく，原子分解能を実現する可能性の高い手法である。その試作のために，装置，制御回路，検出系などの設計・ 試作を行っている。
B -1) 学術論文
Y. YOKOI, G. YELKEN, Y. OUMI, Y. KOBAYASHI, M. KUBO, A. MIYAMOTO and M. KOMIYAMA, “Monte Carlo Simulation of Pyridine Base Adsorption on Heulandite (010),” Appl. Surf. Sci. 188, 377 (2002).
