2015 Fiscal Year Annual Research Report
NEMS可変プラズモニックデバイスによる多機能光集積デバイスの創製
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15H03546
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
山口 堅三 香川大学, 工学部, 助教 (00501826)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 正光 鳥羽商船高等専門学校, その他部局等, 准教授 (00413790)
鈴木 孝明 群馬大学, その他部局等, 准教授 (10378797)
山本 和広 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (40455449)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / NEMS / 静電アクチュエータ / アクティブプラズモン / メカニカルプラズモニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、NEMS可変プラズモニックデバイスによる多機能光集積デバイスの創製である。表面プラズモン（SP）は、回折限界以下の光エネルギーの閉じ込めと局所な電場増強効果より、センサの高感度化やデバイスの小型化の要素技術となりうる。これまでに、NEMSアクチュエータで金属サブ波長格子を構成し、電気信号で構造をメカニカルに制御することでSP共鳴波長を可変可能なアクティブプラズモンデバイス（APD）を開発した。本研究では、微細構造や光学特性の改善を図り、新規機能を有する構造を検討し、情報通信及びセンサネットワーク社会のためのキーテクノロジーとなる技術体系の構築を目的とした。
APDの産業基盤の創成に向け、平成27年度は、代表者と分担者3名、連携者1名、海外共同研究者1名、学生4名で研究体制を構成し、（1）基盤技術の向上と実施例の取得、（2）MEMS加工プロセスの導入、可変型な（3）SERSセンサや（4）ナノレンズに加え、（5）ファイバ一体化システムの開発を実施した。
本年度の成果として、（1）の構造改善では、金属膜質と固着を検討した。前者は、マクロサイズの大面積な単結晶金属薄膜の成膜方法を確立した。後者は、化学的アプローチで固着回避の可能性を見出した。さらに、単一スリットで広帯域多波長共鳴を可変可能な構造を新たに提案し、その作製に成功した。（2）では、サブミクロンサイズのAPDの作製に成功した。（3）では、格子に加え、単分子膜を用いた粒子制御によるSERS信号の変調を観測した。（4）では、最低スリット数での集光制御を実現した。（5）では、光ファイバ端面上にAPDの作製技術を確立した。これらの結果、論文7編、プロシーディング5編、国際会議10報、国内会議15報、特許出願3件（内、1件審査請求中）、受賞2件の研究業績（関連研究も含む）を収め、本技術がNature関連誌で紹介された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請した提案書に基づきPDSAサイクルを実施することで、NEMS可変プラズモニックデバイスによる多機能光集積デバイスの基盤技術を構築した。（1）の単結晶金属薄膜では、グレインの成長メカニズムを明らかにし、700 nmに成長した単結晶金属粒中へのナノピラー構造の作製に成功した。また、この光学特性を評価することで、金属単結晶の光学損失の抑制に成功した。さらに、マクロサイズな成膜方法の確立は、大面積化における単結晶金属薄膜の基盤技術として、プラズモニクスの分野のみならずナノフォトニクスの発展に大きく貢献すると考える。一方、化学的アプローチによるAPDの固着回避は、本技術価値の飛躍的向上を期待する。また、実施例取得に、単一スリットでの広帯域多波長共鳴の可変と、構造制御に伴うナノ光学特性を明らかにした。本知見は、本研究の学術的水準をより一層高めるものになる。
（2）のMEMS加工プロセスの導入により、サブミクロンサイズの加工に成功した。しかし、さらなる微細加工が難しく、現在、対象波長領域の変更やサイズから構造制御を重視した設計の対応を実施している。
（3）のセンサの開発では、APDによる表面増強ラマン散乱（SERS）信号の変調を観測した。また、単分子膜を用いた粒子制御で同様な変調特性を実現した。現在、構造制御に伴うリアルタイムマルチ計測に取り組んでいる。
（4）のレンズの開発では、5本のスリットを1対の電極で集光制御を実現した。現在、スリット数の増加と複数電極の採用により、集光と偏向を併せ持つ多機能化と光学特性の向上を検討している。
（5）のファイバ一体化システムの開発では、ファイバコアのエッチング条件と光ファイバ端面上での好適なAPD加工プロセスをそれぞれ確立した。なお、高い精度での作製の再現性を示す。現在、顕微鏡下での光学評価系の構築を進めている。以上を総合的に判断し、当初の計画以上に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度の研究実績と進捗状況を踏まえると、当初の計画を大幅に進展していることが分かる。そこで、平成28年度は、申請時の研究計画を見直し、下記を実施することで次世代光機能デバイスのコア技術として展開する。なお、昨年と同等な研究体制として、代表者と分担者3名、連携者1名、海外共同研究者1名、学生5名（内、博士1名、修士1名、学部3名）で構成し、本研究を推進する。
（1）基盤技術の向上と実施例の取得について、単結晶金属薄膜の成膜技術を用いたデバイスの作製と評価を実施する。（2）MEMS加工プロセスの導入について、可視光波長域を超えた評価や構造制御によるナノ光学応答計測を実施する。（3）可変型SERSセンサについて、構造制御に伴うリアルタイムマルチ計測を実施する。（4）可変型ナノレンズについて、スリットの独自制御を採用した同一素子の多機能化（光の集光と偏向）を実施する。（5）ファイバ一体化システムについて、APDのラボ・オン・チップファイバとしての光学評価を実施する。
平成28年度は、国際会議における発表を既に5報予定しており、これに加え、論文投稿や特許出願、各種展示会やホームページ公開など技術の先導性と積極的な情報発信に努める。
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[Presentation] Sound pressure measurement of ultrasonic vibrations by fiber Bragg grating2015
Author(s)
T. Watanabe，K. Yamaguchi，K. Maru，H. Iwata，Y. Suzaki
Organizer
International Conference on Applied Electrical and Mechanical Engineering 2015 (ICAEME 2015) , 2nd Asian Conference on Electrical Installation and Applied Technology (2nd ACEIAT)
Place of Presentation
Tongtara Riverview Hotel, Bangkok, Thailand
Year and Date
2015-08-27 – 2015-08-28
Int'l Joint Research
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[Presentation] Active plasmon and anomaly sensor for CO2 gas2015
Author(s)
K. Yamaguchi，M. Fujii
Organizer
The 10th Asia-Pacific Conference on Near-field Optics (APNFO10)
Place of Presentation
Hakodate Research Center for Fisheries and Oceans, Hakodate, Hokkaido, Japan
Year and Date
2015-07-07 – 2015-07-10
Int'l Joint Research
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