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2016 Fiscal Year Research-status Report

量子干渉型メタマテリアルの構造変形を伝達関数としたナノ空間局在フォトンモード制御

Research Project

Project/Area Number 16K13648
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

金森 義明  東北大学, 工学研究科, 准教授 (10333858)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsメタマテリアル / マイクロ・ナノデバイス / MEMS
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、機械的に構造変形する量子干渉型メタマテリアルの構造変形を伝達関数とし、入力を外力、出力を局在フォトンモードとする物理量トランスデューサを構築し、各物理量に適した伝達関数の設計や応答特性を明らかにする。超高感度計測や超小型光処理技術の実現を目指す。本年度は、デバイスの光学設計、機械設計、デバイスの試作、プロセスの条件出しを行った。デバイスの光学設計はMaxwell方程式の厳密解を求めるRigorous coupled-wave analysis法による数値計算手法を用いた。その結果、石英基板上のメタマテリアル、空隙、石英製自立膜に形成されたAu薄膜で構成されるデバイスを設計することができた。本デバイス構成では、任意のメタマテリアルパターンをデバイスに埋め込むことができるため、今後の再設計で得られるより高性能なメタマテリアルにデザインを変更したり、応用に合わせて最適なメタマテリアルパターンを選定することが可能であり、汎用性をもたせた。数値計算により、空隙変化に伴うメタマテリアルの光学スペクトル変化の関係を算出した。メタマテリアルの共振波長付近において透過・反射スペクトルが鋭く変化するため、共振波長付近の光学スペクトルに注目し、空隙変化と共振波長変化の関係を定量的に求めた。数値計算により、空隙変化に伴う共振波長の変化が大きなメタマテリアルの構造を設計した。機械設計を行い、石英製自立膜にかかる荷重と空隙間距離の変化の関係を材料力学を用いて算出した。プロセスの条件出しを兼ねてデバイスの試作を行った。最後までプロセスを通すことで各工程における加工の条件出しを行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Maxwell方程式の厳密解を求めるRigorous coupled-wave analysis法による数値計算を用いて、デバイスの設計を行った。石英基板上のメタマテリアル、空隙、石英製自立膜に形成されたAu薄膜で構成され、石英製自立膜に力がかかることで、メタマテリアルとAu薄膜との空隙間距離が変化し、それに伴う反射スペクトルの変化を数値計算で求めることができた。また、空隙間距離の変化に対して、よりスペクトル変化の大きなメタマテリアル構造を探索し、従来のファブリー・ペロフィルタよりも大きなスペクトル変化量を得ることができた。また、石英製自立膜のたわみと荷重の関係を算出するための力学設計を行った。以上より、本年度の計画であるデバイスの光学設計および機械設計はおおむね順調に進展していると言える。また、プロセスの条件出しを兼ねてデバイスの試作を行った。空隙間距離が目標より大きな値となってしまい改善が必要であるが、プロセスを最後まで通すことで、各工程における加工の条件出しを行うことができた。以上より、本年度の計画であるプロセス条件だしもおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

本年度に行ったデバイス設計を基にデバイスを試作する。同時進行で光学設計を見直し、より高感度特性が得られるメタマテリアル構造および機械構造の検討を行い、良い設計が得られたら随時デバイス試作に反映する。なお、デバイスの設計よりも試作を重視して進める。各プロセスの条件出しをさらに詰める。デバイスの評価システムを構築し、外部物理量の入力とデバイスの光学応答の出力の関係を精度良く評価することを目指す。

Causes of Carryover

デバイス製作に於いて完成度を高めるために繰り返し製作を行う必要があるが、想定よりも製作繰り返し回数が少なかったため製作に関わる実支出が少なかった。また、測定評価を簡易的に行ったため、測定評価システム構築のための実支出が少なかった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

当初の次年度使用計画に加えて、デバイス製作に関わる消耗品費として使用する。また、高精度にデバイス特性を評価するための測定評価システムを構築するために使用する。

  • Research Products

    (21 results)

All 2017 2016

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Transmissive plasmonic color filters with built-in Si photodiodes2017

    • Author(s)
      Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane
    • Journal Title

      電気学会論文誌E

      Volume: 137 Pages: 印刷中

    • DOI

      -

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 偏光無依存メタマテリアルを用いた屈折率センサ2017

    • Author(s)
      清水友己, 金森義明, 羽根一博
    • Journal Title

      電気学会論文誌E

      Volume: 137 Pages: 印刷中

    • DOI

      -

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Demonstration of sharp multiple Fano resonances in optical metamaterials2016

    • Author(s)
      Yuto Moritake, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 24 Pages: 9332-9339

    • DOI

      10.1364/OE.24.009332

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] THz帯におけるメタマテリアル・アブソーバの製作と吸収特性の評価2016

    • Author(s)
      石井 雄大, 瀧田 佑馬, 金森 義明, 南出 泰亜, 羽根 一博
    • Journal Title

      電気学会論文誌E

      Volume: 136 Pages: 172-179

    • DOI

      doi.org/10.1541/ieejsmas.136.172

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Emission wavelength tuning of fluorescence by fine structural control of optical metamaterials with Fano resonance2016

    • Author(s)
      Y. Moritake, Y. Kanamori, and K. Hane
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 6 Pages: 33208-1-6

    • DOI

      10.1038/srep33208

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ナノフォトニック構造のMEMS制御2017

    • Author(s)
      金森義明
    • Organizer
      平成29年電気学会全国大会
    • Place of Presentation
      富山大学 五福キャンパス
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-17
    • Invited
  • [Presentation] MEMS駆動光メタマテリアルによるファノ共鳴スペクトル制御2016

    • Author(s)
      森竹勇斗、金森義明、羽根一博
    • Organizer
      電気学会フィジカルセンサ/マイクロマシン・センサシステム合同研究会
    • Place of Presentation
      国立研究開発法人物質・材料研究機構(千現地区)
    • Year and Date
      2016-12-19 – 2016-12-19
  • [Presentation] 金属・誘電体・金属構造の非対称型ダブルバーメタマテリアルの製作と光学特性2016

    • Author(s)
      大久保藍、金森義明、羽根一博
    • Organizer
      電気学会フィジカルセンサ/マイクロマシン・センサシステム合同研究会
    • Place of Presentation
      国立研究開発法人物質・材料研究機構(千現地区)
    • Year and Date
      2016-12-19 – 2016-12-19
  • [Presentation] Fabrication of electromagnetically induced transparency like metamaterials in THz region2016

    • Author(s)
      Y. Kanamori, K. Nakamura, K. Hane
    • Organizer
      5th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems ofTerahertz Devices & Technologies (RJUSE TeraTech-2016)
    • Place of Presentation
      Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
    • Year and Date
      2016-11-02 – 2016-11-02
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトダイオード一体型誘電体光メタ表面による色度選択光検出2016

    • Author(s)
      江間大祐、金森義明、羽根一博
    • Organizer
      第33回センサ・マイクロマシンと応用システムシンポジウム
    • Place of Presentation
      長崎県、平戸文化センター
    • Year and Date
      2016-10-25 – 2016-10-25
  • [Presentation] Fabrication of Planar Metamaterials for Transmission and Absorption Control2016

    • Author(s)
      Yoshiaki Kanamori
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ、新潟県新潟市
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-13
    • Invited
  • [Presentation] Spectral sensitivity control of Si photodiodes by subwavelength structures2016

    • Author(s)
      Daisuke Ema, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      The 1st A3 Metamaterials Forum
    • Place of Presentation
      Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-06
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Movable transparent membranes designed for tunable metamaterials in the optical region2016

    • Author(s)
      Ai Okubo, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      The 1st A3 Metamaterials Forum
    • Place of Presentation
      Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-06
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Metamaterial absorbers fabricated on silicon cantilevers2016

    • Author(s)
      Yuta Ishii, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      The 1st A3 Metamaterials Forum
    • Place of Presentation
      Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-06
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photovoltaic transmissive color filters based on Metal-Photodiode-Metal metamaterials2016

    • Author(s)
      Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      The 1st A3 Metamaterials Forum
    • Place of Presentation
      Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-06
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of transmissive plasmonic color filters with built-in Si photodiodes2016

    • Author(s)
      Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology 2016 (APCOT2016)
    • Place of Presentation
      Kanazawa Bunka Hall, Kanazawa, Japan
    • Year and Date
      2016-06-29 – 2016-06-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of transmissive plasmonic color filters with built-in Si photodiodes2016

    • Author(s)
      Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      平成28年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会
    • Place of Presentation
      金沢市文化ホール、金沢
    • Year and Date
      2016-06-29 – 2016-06-29
  • [Presentation] Planar metamaterials for transmission and absorption control2016

    • Author(s)
      Yoshiaki Kanamori
    • Organizer
      EMN Meeting on Metamaterials
    • Place of Presentation
      Hotel Neptun, Importanne Hotels & Resort, Dubrovnik, Croatia
    • Year and Date
      2016-05-09 – 2016-05-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Experimental Demonstration of Wavelength-Selective Metamaterial Absorbers in the 1.5 THz Range2016

    • Author(s)
      Yuta Ishii, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane, Yuma Takida, and Hiroaki Minamide
    • Organizer
      11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS2016)
    • Place of Presentation
      Hotel Matsushima Taikanso, Matsushima Bay, Japan
    • Year and Date
      2016-04-19 – 2016-04-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Wavelength-selective Transmission from Plasmonic Nanostructured Arrays in the Visible Region2016

    • Author(s)
      Daisuke Ema, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
    • Organizer
      11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS2016)
    • Place of Presentation
      Hotel Matsushima Taikanso, Matsushima Bay, Japan
    • Year and Date
      2016-04-19 – 2016-04-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of Fano resonance in Optical Metamaterials2016

    • Author(s)
      Yoshiaki Kanamori
    • Organizer
      11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS2016)
    • Place of Presentation
      Hotel Matsushima Taikanso, Matsushima Bay, Japan
    • Year and Date
      2016-04-19 – 2016-04-19
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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