2016 Fiscal Year Research-status Report
モット絶縁体酸化物における表面プラズモン励起と電場制御
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15K13331
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松井 裕章 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (80397752)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神吉 輝夫 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (40448014)
J・J Delaunay 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80376516)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 強相関酸化物 / VO2 / 表面プラズモン / 赤外 / モット相転移 / ナノ構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は、60oC近傍で金属・絶縁体転移を示し、赤外域において表面プラズモン励起が可能な二酸化バナジウム（VO2）に着目する。VO2は、温度履歴を有するプラズモニックマテリアルとして機能し、外気温の温度変化に自律的に感知し近赤外光の透過性能を自動制御可能なスマートウインドウへの開発に寄与する。故に、従来の金属材料を基盤とした遮熱技術とは大きく異なり、温度制御という高付加価値を付与することが可能である。本研究では、機能性酸化物とナノ構造制御を軸にVO2からの表面プラズモンの励起メカニズムを実験的及び理論的に考察することを目的とする。
VO2の1次元ナノ構造体は、トップダウン技術を用いて作製された。最初に、パルスレーザー堆積法を用いて、Al2O3 (0001)基板上にc軸配向したエピタキシャル成長させた。次に、ナノ院プリント技術とイオンエッチング法を用いて均一なナノグレーティング構造を形成した。加工サイズは、200 - 450 nm程度内に制御された。VO2の1次元ナノ構造体の表面プラズモン励起は、モット相転移に伴い金属相に相転移して、0.4 eV近傍の共鳴吸収ピークを発現させた。一方、室温下におけるVO2の絶縁相からは表面プラズモンの励起は観測されなかった。特に、1次元ナノ構造体からの表面プラズモン励起は、入射波の面内方位（偏光性）に強く依存した。更に、VO2の1次元ナノ構造体からの表面プラズモン励起と相転移との相関は、 ナノドット構造体と大きな差異が見られた。これは、VO2内の微視的な金属相ドメインが大きく関連する。平成28年度における上記の成果は、来年度以降に実施する表面プラズモン励起の電場制御に向けた重要な予備的知見を与える。
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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
本研究課題は、VO2ナノ構造体から発現される表面プラズモン励起を用いた外場制御を目指すことを主眼とする。平成27年度において、パルスレーザー堆積（PLD）法を用いたVO2薄膜を作製し、X線回折や光学解析から良質な薄膜形成が達成された。更に、ナノインプリントリソグラフィーと反応性イオンエッチング技術に基づいたナノ構造体の作成にも成功した。VO2ナノ構造体からの赤外域における表面プラズモン励起の相転移に伴う表面プラズモン励起のスイッチ効果を実験的に観測し、それは3次元電磁界計算による理論的考察からも実証された。
平成28年度は、VO2における1次元ナノ構造体への拡張を目指した。１次元ナノ構造体における表面プラズモン励起は、入射波に対する偏光や角度依存性が存在する。故に、VO2ナノ構造体の表面プラズモン励起を近赤外から赤外域において実観測した。VO2の1次元ナノ構造体からの表面プラズモン励起は、入射波の面内方位依存性（s偏光及びp偏光）に強く依存し、特に、p偏光励起に対して強い表面プラズモン励起が観測された。また、VO2の相転移と表面プラズモン励起について、ナノドット構造体と1次元ナノ構造体において、大きな差異が見られた。これは、ナノ構造体に形成される絶縁相と金属相ドメインの形成に関連している。上記の成果は、分担者と伴に、国際会議論文[H. Matsui, T. Kanki, J.J. Delaunay et al., Adv. Opt. Mater. 3, 1759 (2015)]や、国際会議における口頭・招待発表を行った。従って、平成29年度に実施するVO2表面プラズモン励起の外場制御、及びその応用展開に向けた成果として十分であると判断できる。故に、本研究課題は、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度における研究実施内容を以下に示す。
1次元VO2ナノ構造体（ナノ細線）を作製し、表面プラズモン励起の電場制御を実施する。最初の段階として、温度制御の観点からナノ構造体試料の表面プラズモン励起の光学特性を明らかにする。更に、ナノ構造体と金属相ドメインの空間分布を明らかにする。金属相ドメインの出現は、モット絶縁体酸化物材料の特徴であり重要な性質である。故に、顕微分光とラマン分光を併用して表面プラズモン励起と電子相の相関を調査する。
次の段階として、1次元VO2ナノ構造体を用いた表面プラズモンの電場制御を実施する。本項目では、VO2の抵抗スイッチング現象を表面プラズモン制御に発展させる。電場印加に向けた電極形成は、フォトリソグラフィー技術を用いて行う。ナノ細線構造における電気的性質は研究分担者の協力を頂くことを予定している。赤外域の分光計測は、電極内の局所制限視野下で行う必要があるため、5000 nm程度の空間視野を有する顕微赤外分光を用い、VO2ナノ細線を利用して表面プラズモン状態の外場制御を行う。VO2が金属相に相転移することで表面プラズモン励起が発現し、ある波長帯域で選択的に光透過特性（フィルター効果）が変化する現象を赤外域で実証する。
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| Causes of Carryover |
28年度において、VO2ナノ細線構造の形成及び基礎的な光学評価を主に実施した。また、研究分担者と伴に3次元電磁界計算を行い、ナノ細線構造からの表面プラズモン励起の最適化を調査した。3次元の電磁界シミュレータ解析は長い時間を要するため、本研究に関連した2件の著書出版等に注力した[H. Matsui, Science and Applications of tailored nanostructures pp. 68-88 (2017); Nanoplasmonics - Fundamentals and Applications (出版予定, 2017).]。故に、次年度への研究予算の繰り越しを行い、研究継続を行う理由となります。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
来年度（29年度）は、前年度において作製されたVO2の1次元ナノ細線構造を利用した電場制御に注力する。来年度の前期において、パルスレーザー堆積装置に関する真空部品費として20万円、及び電極形成費用として15万円（フォトリソグラフィー用のマスク加工費）を計上する。また、電磁界シミュレータのライセンス費として30万円を支出する。その他、旅費、消耗品及び論文出版費として計上致します。
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Research Products
(12 results)
