2018 Fiscal Year Research-status Report
Functions and applications for optical plasmonic magnetic artificial lattices
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17K06349
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
内田 裕久 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30271000)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 磁気光学効果 / プラズモン共鳴 / 微細構造 / 回転角増大 / シミュレーション / 近接場光学顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，磁性体と光との相互作用を利用する光プラズモニック人工磁気格子を開発し，その基礎的特性を明らかにし，応用を探索するものである．この構造は，Au粒子の大きさと構造の周期によって，プラズモン共鳴が起こる波長を大きく移動することが可能となる．プラズモン共鳴波長でファラデー回転角が大きく増大させることができる．この人工磁気格子は，薄膜でも大きな回転角が得られ，かつ波長選択性をもたらすことから，光磁気センサ，磁気イメージングデバイスなどへの応用が期待されるものである．
これまでの研究内容を踏まえ，今年度はFDTD法によるシミュレーションによる構造探索を進めた．FDTD法で求めた電界分布を用いて，ファラデー回転角と楕円率角を計算するプログラムを開発した．また，実験結果とFDTDシミュレーションでは，表面プラズモン共鳴の波長の不一致があったが，SEM像から得られた形から扁平楕円体としたところ，波長をほぼ一致させることができた．
電子線描画装置を用いて構造体のパターン形成プロセスの開発を行い，マスクモードを用いてパターン形成を行った．学内の共通設備であるため，長時間の占有ができないため，既定の時間内で描画を終えなければならない．
また我々が以前に開発した近接場光学顕微鏡（SNOM）の改良を行った．オープンループ制御のチューブ型ピエゾステージを使っていたが，画像のひずみがあるためクローズドループ制御を行うXYZステージへ交換を行った．また偏光測定機構を加えて測定が可能であること，SNOMプローブの位置を制御するために振幅検出を行ってきたが，位相検出法についても検討を行った．
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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
・FDTD法によるシミュレーションによる構造探索： 長方配列のAu粒子との複合構造体について検討を行った． Au粒子が長方配列する場合，光学および磁気光学応答に配置に対して偏光の回転角によってファラデー回転角の大きさと波長位置が変化する．この構造についてFDTDシミュレーションによって研究を行った．昨年度開発した電界分布からファラデー回転角と楕円率の分布を求めるプログラムを使用し，回転角の分布図を求めることができた．ここで，昨年度実験により求めた誘電率テンソルを用いた．また，これまでAu粒子を球であるとして計算を行ってきたが，プラズモン共鳴の波長が実験結果よりも短波長側に現れた．SEM観察の結果をもとに扁平楕円体にしたところ，シミュレーションで共鳴波長をほぼ実験と一致させることができた．
・電子線描画装置による構造体の作製プロセスの開発： 周期的に配列したAuなどの金属粒子を作製するプロセスの開発を行った．本学の共通設備である電子線描画装置を使い，マスクモードで微細なパターンを作製する場合のパターン作製条件を求めた．描画に時間がかかるため直径100nmほどのパターンを作製するのは0.2㎜四方ほどに制限されることが分かった．
・近接場光学顕微鏡の改善： すでに我々が開発をしたSNOMでは，チューブ型ピエゾステージをオープンループ制御しているため，像のひずみがあった．そこでクローズドループ制御を行うXYZステージに交換した．線形性は良くなったが，測定時間が長くなるという欠点もあることが分かった．また偏光の測定機構を付加して動作確認を行った．またSNOMプローブの位置制御を振幅検出によって制御を行ってきたが，ロックインアンプを用いて測定を行ったところ現在使用している無開口プローブ（A-probe）では位相検出による制御の方が低ノイズの像が得られることが明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
・FDTDシミュレーションによる複合構造体の構造探索： 引き続き，長方配列のAu粒子と磁性ガーネットとの複合構造体の構造において，大きな回転角が得られる構造を探索する．相反性が通常の磁気光学材料とは異なる可能性があり，Kerr効果測定とシミュレーションにより明らかにする．また隣接する粒子間距離に遠近を付けた構造，三角形など，新しい構造について検討する．
・電子線描画装置による構造体の作製プロセスの開発： 前年度に電子線描画装置のマスクモードを用いて，周期的に配列したパターン形成を行ったが，今年度は直描モードでパターンを作製し両者の描画速度の比較を行う．本学の共通設備であるため長時間の使用が難しいためである．
・Au粒子/磁性ガーネットによる複合構造体の作製と評価： シミュレーションによって得られたAuの周期構造を電子線描画装置によって作製するプロセスを開発する．ミリング法でAuの柱状の周期構造を作製し，最終的にAuの体積縮小を避けるため，形成したAuを1000℃で加熱して，結晶化および球状可する．その後で，磁性ガーネットをスパッタ法で成膜し，750℃で結晶化の熱処理を行う．
・磁気光学グラニュラ構造体の開発： 新規のナノ構造体としてFeCoやNiFe粒子とSiN媒体を用いたグラニュラ構造の検討を行う．この試料は，赤外域で磁気光学効果が大きくなることが報告されており，回転角と波長について実験によって，その可能性を明らかにする．
・近接場光学顕微鏡（SNOM）の改善と構造体観察： 昨年度，振幅検出よりも位相検出法が適していることが分かったが，さらに周波数検出法について検討する．SNOMでは自己検出プローブを用いているが，適した検出方法の機構を開発する．このSNOMによる偏光測定を複合構造体について行い，FDTDシミュレーションで得られたファラデー回転角の分布との比較を行う．
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