2016 Fiscal Year Research-status Report
カーボンナノチューブとフォトニック結晶の融合によるラマンレーザー
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16K13613
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
加藤 雄一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 加藤ナノ量子フォトニクス研究室, 准主任研究員 (60451788)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノチューブ・フラーレン / フォトニック結晶 / マイクロ・ナノデバイス / 光物性 / 物性実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2016年度は、主としてフォトニック結晶共振器の高Q値化に取り組んだ。デバイス設計は六角格子フォトニック結晶スラブにL3型欠陥を導入したものを基本とし、デバイス作製ではシリコン・オン・インシュレーター基板を用いて電子線描画とドライエッチングによりチップ上に数百個程度の共振器を加工した。試作デバイスをフォトルミネッセンス測定により評価し、最もQ値の高い基底モードの共振波長が合うような格子定数の範囲を確認し、また、高Q値化を実現するL3共振器の穴の位置のシフト量に対する依存性を調査した。その結果、基底モードを所望の共振波長に調整することが可能となり、測定装置の分解能の限界に対応する約10000のQ値を再現性良く実現できるようになった。
また、作製したデバイス上に化学気相成長法により直接カーボンナノチューブを合成するための条件も検討した。当初はフォトニック結晶共振器のQ値が劣化する現象が確認されたが、成長後の冷却速度を遅くすることで劣化を回避できることが判明した。加えて、デバイスを高温にする必要のない手法でカーボンナノチューブを付着させることも試みたほか、ほぼ同じ波長でラマン散乱を発生するナノカーボン材料であるグラフェンを転写したデバイスの作製にも取り組んだ。
試料走査型共焦点顕微分光装置により、これらのデバイスを評価した。共振波長が短いデバイスでは、基板材料であるシリコンの発光とラマン散乱光が同程度の波長となってしまうためにラマン光の評価が難しいことが分かり、また、共振波長が長ければシリコンの発光と波長がずれるだけでなく、励起波長もそれに応じて長くなるため、シリコンの発光強度そのものも低減できることが判明した。さらに、励起分光により、共振器波長がラマン散乱光と一致する際、発光が増大することが確認できた。
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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
本研究ではフォトニック結晶共振器の設計やQ値、ナノチューブ材料の直径分布やカイラリティ純度、そして共振器上へのナノチューブの塗布方法の影響などを詳細に調査して、カーボンナノチューブとフォトニック結晶を融合させたデバイスおよび材料の最適化に取り組んでラマン散乱光の増強に必要な条件を明らかにし、カーボンナノチューブとシリコンフォトニック結晶共振器を融合させたハイブリッドラマンレーザーを実現することを目的としている。今年度は、必要となる共振波長を持つフォトニック結晶共振器の設計および作製を実現し、高いQ値を得られることが確認できた。また、カーボンナノチューブおよびグラフェンのラマン散乱光がフォトニック結晶共振器と結合して増強されることも観測できており、おおむね順調に研究が進んでいると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続きデバイスの試作と測定に取り組み、ラマン散乱光の増強に必要な条件を調査する。異なる膜厚のシリコン・オン・インシュレーター基板からデバイスを加工してフォトニック結晶のスラブ厚の影響を調査するほか、吸収損失を低減させるためにナノカーボン材料の最適化を進める。化学気相成長や直接付着したカーボンナノチューブおよび転写したグラフェンに加え、小径ナノチューブの直接合成や半導体分離・カイラリティ分離されたナノチューブの塗布などの手法も検討する。
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| Causes of Carryover |
今年度は、主としてフォトニック結晶共振器の試作と評価に取り組んだが、フォトニック結晶の加工手法を効率化することができたほか、多くのデバイスをチップ上に一度に作製することにより試作する回数を減らすことができ、必要となる基板や試薬などの消耗品費やクリーンルーム使用料を節約することができた。また、当初の計画では光学系の改良を進めることも想定していたが現状の光学系でも測定可能であることが分かり、また、レーザーの故障などがあったため、次年度に取り組むこととした。以上の結果、未使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当該研究費は、ラマン散乱増強の評価に用いる光学系の改良に必要な光学部品などの消耗品に支出するほか、成果発表のための旅費や学会参加登録費、論文掲載料、また、試料作製に必要なクリーンルーム使用料などに充当する計画である。
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