2016 Fiscal Year Research-status Report
光デバイス設計援用を目指した貴金属プラズモニクスの計算電磁気学による基礎付け
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15K06023
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
松島 章 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (70157303)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福迫 武 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (90295121)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズモニクス / 特異積分方程式 / ウィーナー・ホッフ法 / モード整合法 / プラズモン共鳴 / 電界増強 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
可視光の帯域を含む２００ナノメートルから１マイクロメートルまでの波長帯域をもつ電磁波と貴金属との相互作用を対象として、本研究者らが平成２７年度までに開発してきた計算電磁気学の手法を改良し、表面プラズモン共鳴と局在プラズモン共鳴の特性データを収集した。これにより、次年度に予定している光デバイスの性能向上に資するデータの取得がスムーズにできるような基盤を築いた。微小寸法の周期構造を持つ金や銀の薄膜や粒子に生ずるエバネッセントモードを利用することにより、金属の近傍における電界強度を高めることができ、これがデバイスの効率や感度の向上をもたらす。共鳴現象を利用した電界増強は、周期構造パラメータへの依存性が高く、数桁以上の精度が要求される場合があるため、解析的な概念を取り込み、数学的な理論を駆使した本研究者らの手法がより効果的である。これにより共鳴現象の要因を、金属の負の屈折率に基づくプラズモニクス、格子モードの形成、および導波路モードの形成に分類することが可能となった。具体的な技法として、多数の有限幅平板を面内配置および積層構造に対する特異積分方程式法、半無限平板に対するウィーナー・ホッフ法、球体の２次元周期配列構造に対するモード整合法を採用し、効率化と精密化を重ねてきた。昨年度の成果に引き続き、平成２８年度は平板の配置最適化によるレンズ効果、半無限平板に励振された表面波の端部反射の可視化、球体の個数を増したときの格子モードの形成過程を明らかにした。
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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
本研究者は計算電磁気学を専門とし、特異積分方程式法、ウィーナー・ホッフ法、モード整合法などの計算手法を長年開発してきた。金属が屈折率を持つことや、共鳴が構造パラメータに大きく依存することから起こる計算の困難さに対して、本年度はさらに現象の特徴を生かした電磁界関数の展開形式を取り入れることにより効率と精度の向上を図り、現在までおおむね成功している。これらの研究成果を３件の国際学会論文集のほか、電子情報通信学会総合大会、電気学会電磁界理論研究会、情報・電気関係学会九州支部連合大会などにおいて公表してきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
計算電磁気学の手法をさらに改善するとともに、光デバイスにおける具体的な要求事項を考慮に入れながら、特性向上や設計指針の構築に役立つデータを蓄積する。その方策を以下の３項目にまとめる。
１）端点を両側に持つ有限幅平板に関して、定在波の形式を持つプラズモン表面波モードの共鳴条件を解析的に構築する。具体的には、半無限平板の１個の端点における表面波の反射効果や励振効果を定量的に評価して組み合わせる。
２）貴金属の負屈折率性や配置の周期性に基づく電界増強に加えて、平板や粒子の非周期的な最適化配置に伴うレンズ効果の把握を行う。
３）特異積分方程式法の適用範囲をベクトル場問題へと拡張する。具体的には互いに直交する方向に周期性を持つ積層した平板格子、および有限長円筒の軸方向周期配列を扱い、新しい形状による共鳴効果の向上の可能性を探求する。
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