| Project/Area Number |
21K18159
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高谷 裕浩 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70243178)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水谷 康弘 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40374152)
上野原 努 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10868920)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
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| Keywords | エンジニアード・サーフェス / ナノ表面トポグラフィ / 光子散乱 / 量子的ゴーストイメージング / 光スピンホール効果 / 散乱ドレスト光子 / ラマン分光 / 量子もつれ光子対 |
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| Outline of Research at the Start |
ナノ表面トポグラフィを加工し，人工的に多様な機能を付与するエンジニアード・サーフェスの要求が高まっている．その機能性の機序はナノ表面トポグラフィのスケール階層的な幾何特性に基づいている．本研究は，機能を発現する幾何学的構造の基本単位，大面積の秩序性，均一性および局所的な幾何特性を損なう超微細欠陥のそれぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用である，量子的３Dゴーストイメージング（量子もつれ光子対），光スピンホール効果（量子的偏光解析法），ラマン散乱分光（散乱ドレスト光子検出）に基づいた新たな光子散乱表面計測原理を確立し，新たなエンジニアード・サーフェス・メトロロジーの確立をめざす．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，機能を発現する幾何学的構造の基本単位，大面積の秩序性，均一性および局所的な幾何特性を損なう超微細欠陥のそれぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用である，量子的３Dゴーストイメージング（量子もつれ光子対），光スピンホール効果（量子的偏光解析法）およびラマン散乱分光（散乱ドレスト光子検出）に基づく新たなエンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理構築を目的としている．本年度は，それぞれのスケール階層に対応する，下記４項目の光子散乱計測の基礎解析および実験に注力した．
[1]：アイドラ光子とシグナル光子の同時計数による“画像化”の高分解能化を確立するため，量子的ゴーストイメージング（QEPGI）の解析シミュレータを構築し，3D-QEPGIの計測原理に基づいたクラスタ・レベルの表面トポグラフィ計測原理に関する基礎解析を遂行した．
[2]：光スピンホール効果計測による幾何学的特徴量計測の基本特性を明らかにするため，反射位置シフト量の計測によって表面微細構造の平均的厚さの大域的“不均一性”を評価し，マクロ・レベルの幾何学的特徴量計測実験を遂行した．
[3]：散乱ドレスト光子のラマン分光特性と原子スケールの欠陥に起因する局所応力場状態の関係を明らかにし,
振動スペクトル（ラマン散乱分光）に基づく表面解析手法を確立するため，新規にフェムト秒レーザを利用して表面層原子集団のみを励起する局所励起光学系を構築し，単一光子検出レベルの高感度ラマン分光装置を用いたラマン分光光学系の基本動作検証実験を遂行した．
[4]：エンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理構築において，長さの国家基準である光周波数コムを用いた光逆散乱計測法によるマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測の基本原理の確立と高精度化を図るため，多波長位相回復アルゴリズムの数値解析と基礎実験を遂行した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ナノ表面トポグラフィを加工し，人工的に多様な機能を付与するエンジニアード・サーフェスの要求が高まっている．エンジニアード・サーフェスの多様な機能性の機序はナノ表面トポグラフィのスケール階層的な幾何特性に基づいており，新たなエンジニアード・サーフェス・メトロロジーを開拓するためには，それぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用を明らかにし，(1)量子的３Dゴーストイメージング（量子もつれ光子対），(2)光スピンホール効果（量子的偏光解析法）および(3)ラマン散乱分光（散乱ドレスト光子検出）に基づいた光子散乱表面計測原理の学理構築が不可欠である．そこで本年度は，(1)から(3)の解析および基礎実験検証に加え，当初研究計画からの発展的研究として，基準計測原理を導入するための光周波数コムを用いた光逆散乱計測法の高精度化に取り組んだ．(1)から(3)に関しては，それぞれ，(1)QEPGIのシミュレーションおよびQEPGI光学系を用いた基礎実験からアイドラ光子とシグナル光子の同時計数による高分解能イメージングアルゴリズムの開発，(2)表面での反射前後における偏光状態が変化したときの光子の反射位置シフト量計測によって，表面微細構造の平均的厚さをサブナノメートルオーダで評価，および(3)フェムト秒レーザを利用して表面層原子集団のみを励起する局所励起光学系の構築とサファイアガラスのラマン分光特性による局所応力場状態の計測などの研究成果を挙げた．さらに，光周波数コムを用いた光逆散乱計測法によるマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測実験において新たな多波長位相回復アルゴリズムを確立し，マイクロ矩形溝計測によってマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測の基本原理を検証した．以上の研究成果と発展的研究への展開により，進捗状況として「おおむね順調に進展している」の評価とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
エンジニアード・サーフェス・メトロロジーの学理構築に向け，量子的３Dゴーストイメージング（量子もつれ光子対），光スピンホール効果（量子的偏光解析法）およびラマン散乱分光（散乱ドレスト光子検出）に基づいた光子散乱表面計測の統合化および基準計測原理としての光周波数コムを用いた光逆散乱計測法の確立を推進する．まず，それぞれのスケール階層に適応する光子と物質の相互作用に対応する光子散乱表面計測の検証実験として，ナノ表面トポグラフィによる光子散乱理論に基づいた3D-QEPGI解析シミュレーション解析およびアイドラ光子とシグナル光子の同時計数によるイメージングと同期した表面深さ方向の距離計測による3D-QEPGIの計測原理に基づいたクラスタ・レベルの表面トポグラフィ計測，光スピンホール効果による反射シフト量検出による表面微細構造のマクロ・レベルの幾何学的特徴量計測と表面微細構造の大域的不均一性評価，およびフェムト秒レーザによる表面層原子励起を利用した増強ラマン散乱分光による局所応力場計測とそれに基づくミクロ・レベルの原子スケール欠陥計測を遂行する．次に，光周波数コムによるマイクロ-ナノ表面トポグラフィ計測データに基づいたスケール階層における各光子散乱表面トポグラフィ計測の統合化戦略を検討し，長さ標準にトレーサブルなメトロロジーの構築を検討する．さらに，3D-QEPGIの微細構造深さ分布と光スピンホール効果の薄膜層深さおよび局所応力場に基づいた原子スケール欠陥サイズの整合性照合など，光子散乱量子効果計測システムによるデータ統合化と計測パラメータの適応的制御をめざす．データ駆動型の制御手法を用いて，各スケール階層の計測パラメータを自律的調整する計測システムの適応的制御ソフトウェアを構築し，エンジニアード・サーフェスの機能性に基づいたデータの統合化手法を開発する．
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