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High sensitive vibrational spectroscopy using optical deceleration of evanescent field and metamaterial absorber

Publicly Offered Research

Project AreaNano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces
Project/Area Number 17H05471
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

田中 拓男  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (40283733)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2018: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2017: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywordsメタマテリアル / プラズモン / 光放射圧 / ナノ流路 / 赤外分光 / 赤外スペクトル / 光導波路 / エバネッセント場 / ナノ流路デバイス / 光計測 / 振動分光法
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,メタマテリアルを装荷したナノ流路に光導波をハイブリッド化させたデバイスを作り,流路を流れるナノ微粒子や分子を光放射圧でブレーキをかけて移動速度を低下させ,メタマテリアルが作り出すホットスポットとの相互作用を高める事で,分子検出感度の高感度化,高S/N化を目指す研究を行った.そして,ゼプトモルレベルの希薄な検体分子の赤外スペクトルを順次取得することで,どんな分子が存在するかを高速かつ高感度に検出・同定できるデバイスのプロトタイプの構築を目指した.
光導波路を伝播する光の密度を向上させるため,メタマテリアル-流路ハイブリッド構造にさらにチャネル型光導波路を組み込んだデバイスを設計・作製した.チャネル型導波路は,ガラス基板にマイクロ流路を形成した後,FIB法でナノ流路を加工すると同時にナノ流路の表面の屈折率をイオン交換法で高める事で光導波路のチャネルコアを形成した.その後,ナノ流路ならびに導波路チャネル表面に金薄膜をスパッタリグして,金属薄膜の下にチャネル型導波路が埋没された構造を得た.試作したデバイスを用いて赤外分子スペクトルの測定実験を行い,従来のデバイスと比較して1~2桁程度の検出感度の向上を実験的に確認した.
またメタマテリアルを構成するMIM構造のInsulator部をナノメートルスケールのギャップ層にした共振素子をさらに基板表面に垂直に配向させた新しいセンサー構造の加工法を開発した.このデバイスでは,MIM構造を垂直に配向させることでその集積密度を向上させることに成功し,結果として液体よりも分子密度の低い気体の赤外スペクトルを検出することに成功した.

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2018 2017

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Metamaterials-Enhanced Infrared Spectroscopic Study of Nanoconfined Molecules by Plasmonics?Nanofluidics Hydrid Device2018

    • Author(s)
      Le Thu H. H.、Morita Akihiro、Mawatari Kazuma、Kitamori Takehiko、Tanaka Takuo
    • Journal Title

      ACS Photonics

      Volume: 5 Issue: 8 Pages: 3179-3188

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.8b00398

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Plasmonics Nanofluidics Hybrid Metamaterial: An Ultra-Sensitive Platform for Infrared Absorption Spectroscopy and Quantitative Measurement of Molecules2017

    • Author(s)
      Thu H. H Le and Takuo Tanaka
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 11 Issue: 10 Pages: 9780-9788

    • DOI

      10.1021/acsnano.7b02743

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Metamaterial absorbers for molecule sensor2018

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Metamaterial Absorbers in IR and Visible regions2018

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      Collaborative Conference on Materials Research 2018 (CCMR2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Metamaterial infrared absorber with nanofluidic channel for ultrasensitive molecular detection2018

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      SPIE Optics and Photonics 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Absorption band engineering by metamaterials2017

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      The 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META'17)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Plasmonics-nanofluidics hybrid metamaterial absorbers: Fabrication and applications in infrared absorption spectroscopy2017

    • Author(s)
      Thu H. H. Le and Takuo Tanaka
    • Organizer
      The 21st International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2017)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-04-28   Modified: 2019-12-27  

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