2017 Fiscal Year Research-status Report

ナノサイズ光学窓の形成による超解像効果発現の最適条件の理論的探索

Research Project

Project/Area Number	15K04702
Research Institution	Ishikawa National College of Technology
Principal Investigator	佐野陽之石川工業高等専門学校, 一般教育科, 教授 (80250843)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	桑原正史国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 上級主任研究員 (60356954)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords	計算物理 / シミュレーション工学 / 光物性 / 光記録 / 第一原理計算 / 相変化
Outline of Annual Research Achievements	１．高温・融解状態の光学誘電率の第一原理計算：超解像に最適な材料探索と融解による光学誘電率変化のメカニズムを明らかにすることを目的に、第一原理計算を行ってきた。昨年度までにSb2Te3の計算と分析を完了したが、計算に用いた液体構造モデルの密度とサイズに関して再検討を行った。Sb2Te3は融解に伴い密度が約12%減少する。この密度減少が融解状態の光学吸収を小さくする変化を引き起こすことを明らかにした。また、原子個数135個と235個の二つのモデルサイズによる計算結果を比較したところ、両者はほぼ同じであった。これにより、どちらのモデルサイズも光学誘電率の検討に十分であることが確認できた。昨年度行ったSb2Te3の計算結果の分析・検討を、InSbとの比較という観点からさらに深めた。融解による光吸収変化（波長405nm）は、Sb2Te3では減少し、InSbでは増大する。これは、結晶状態におけるフェルミ準位付近の電子状態の違いによるものであることが分かった。２．過渡現象を考慮した光伝播－熱伝導の連成物理シミュレーション：超解像技術のキーとなる微小光学窓の形成メカニズムの理論解析のために、過渡現象を考慮した新しいシミュレーションシステムの開発を行ってきた。本年度は、融解による光吸収変化がInSbと全く異なるSb2Te3を機能層とする大規模モデル計算を実施した。融解領域のサイズは、同じ入射光強度のInSbの場合より1.5～2倍大きく、融解領域の位置がディスク回転方向へ大きくずれるために、実質的な光学窓が小さくなり超解像現象を引き起こすことが分かった。また、超解像状態の応答関数は少し非対称な単一ピーク構造であり、InSbのダブルピーク構造とは大きく異なることが分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason Sb2Te3の光学誘電率に関する第一原理計算は昨年度いったん完了したが、計算の信頼性を確認する必要があり、液体構造モデルの密度とサイズに関する再検討を行った。そのため、Sb2Te3の計算をほぼ全てやり直すことになり、他の材料（GeSbTeなど）の第一原理計算を進めることができなかった。ただし、この再計算によって、密度が光学応答に与える影響に関する重要な知見を得ることでき、InSbとSb2Te3の違いに関するより深い検討をすることができたので、有意義な成果を得ている。過渡現象を考慮した物理シミュレーションに関しては、融解による光吸収変化が全く異なる二つの材料（InSbとSb2Te3）を機能層とした大規模計算が完了し、その結果を分析することによって微小光学窓の形成と超解像現象のメカニズムを明らかにすることができた。これは研究計画で予定していた成果である。
Strategy for Future Research Activity	これまでに、超解像のための有望な機能層材料であるInSbとSb2Te3の第一原理計算と物理シミュレーションを実施し、本研究の大きな目的である「融解による光吸収変化のメカニズムを明らかにする」と「超解像メカニズムを明らかにする」はほぼ達成できている。そのため研究期間の最終年度は、計算機実験の特徴を生かした新しいアイデアの超解像シミュレーション（複数機能層による超解像現象など）とその計算結果の詳細な分析を実施していく。
Causes of Carryover	（理由） H28年度からの繰り越しが約35万円あったため、当初の計画より成果発表を多く行うとともに、計算データを保存するためのネットワークハードディスクやデータ解析のためのソフトウェアを購入した。これにより本来のH29年度支出計画（50万円）より約31万円多く支出することになったが、無理のない適正な研究計画の実行とそれに伴う予算執行のため約4万円を次年度に繰り越すことになった。（使用計画）次年度は、計算データを保存するためのネットワークハードディスクの増強費用、計算および解析のためのソフトウェアの購入・維持費用、研究成果発表のための旅費、論文掲載料として使用していく予定である。