2021 Fiscal Year Research-status Report
磁性ナノ微粒子分散キセロゲルを用いた光導波型ファラデー材料の創製と評価
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19K05015
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
中嶋 聖介 静岡大学, 工学部, 准教授 (40462709)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村井 俊介 京都大学, 工学研究科, 助教 (20378805)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ファラデー効果 / プラズモニックアレイ / 局在表面プラズモン共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、局在表面プラズモン共鳴を示す金属ナノアレイ構造と磁性体材料の複合化により、ファラデー回転角のプラズモン増強現象を調査することが目的である。周期構造アレイからなるプラズモニック基板に対して、パルスレーザー堆積法によって酸化物磁性薄膜を成長させ、プラズモニック協同モードに起因する磁気光学効果の増強を試みる。これまでに、強磁性薄膜として、多結晶Fe薄膜を用いたアレイ基板との複合薄膜において、ファラデー効果の試料角度依存性を調べた。厚さ10nmのFe薄膜は光を透過させることが可能であり、プラズモニックアレイによる回折現象が確認された。この回折効果は、アレイ基板上に作製した薄膜試料の角度を変化させた場合の光吸収スペクトルにおいて、局在表面プラズモン共鳴吸収に透過ディップが現れ、角度依存性を示すことで確認される。ファラデー効果測定において、試料角度に対する回転角の増減を調べたところ、光吸収スペクトルのディップ波長に対応する領域で回転角の増強が認められた。続いて、透過率が高く性能指数が優れた強磁性薄膜として、亜鉛フェライト（ZnFe2O4）準安定相薄膜を選択した。薄膜堆積条件の最適化等を行い、測定装置で検出可能な波長領域において増強が確認できると予想されるZnFe2O4準安定相薄膜を作製した。得られた試料に対して、Fe薄膜同様に吸収スペクトルにおける透過ディップのシフトが観測され、試料角度に対しては、12°の位置において強磁性的な負の回転角の増強を確認した。また、他の可視光域における他の波長に関しても最適なアレイ基板を選択し、増強を試みた。
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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
パルスレーザー堆積法を用いてランダムスピネル型のZnFe2O4薄膜をガラス基板上に作製し、各種作製条件を検討し、種々の強磁性薄膜を得た。基板温度が高いほど結晶性が向上し、作製した薄膜の磁化、及びファラデー回転角は増加することがわかった。研究分担者の作製するナノアレイ基板は、Alナノシリンダー（直径200 nm，高さ150 nm）からなり、それらが様々の周期長で3角格子状に配列したものである。このようなAlナノアレイ基板に対して、様々な膜厚を有するZnFe2O4薄膜の作製を行った。走査電子顕微鏡観察により、Alナノアレイ上にZnFe2O4薄膜が隙間を埋めるように堆積している様子が確認できた。このプラズモニックアレイ上のZnFe2O4薄膜試料は、光吸収測定において、透過ディップが観測されるが、試料に対する入射角を変化させると、このディップが現れる波長がシフトすることを確認した。ファラデー効果測定を行う488 nmのレーザー光に適する条件となるよう、ZnFe2O4薄膜の膜厚を検討し、試料角度20°付近でギャップが生じると期待される試料を作製した。この試料におけるファラデー効果の試料角度依存性では、12°においてファラデー回転角の増大がみられた。このアレイと組み合わせたZnFe2O4薄膜は、それまで観測した他のどの試料よりも大きな増強率を示した。続いて、他の波長の光に対しても同様の増強効果の観測を試みた。532nm、及び655nmにおいてファラデー効果の角度依存性を測定したところ、顕著な増強は認められなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
ZnFe2O4準安定相薄膜を選択することで、他の試料と比較して大きな増強率を達成することができた。プラズモニックアレイの直径、周期長などの条件を変えることで、共鳴が生じる波長や角度の条件が変化するため、様々な波長の光に対するファラデー効果測定を行ったところ、期待した結果を得ることができなかった。そのため、次年度は引き続き、様々な周期条件で作製したアレイに対して、ファラデー効果の増強率がどの程度変化するかを詳細に調査する。また、本研究の最終目的である導波路型ファラデーデバイスについても作製を試みる。その方法としては、アレイ上に作製したZnFe2O4準安定相薄膜上に、スピンコート法などによる透明キセロゲル厚膜を作製することを検討する。ゲル厚膜には回折条件が満たされる角度方向にフェムト秒レーザープロセス等を用いて光導波路構造を作製する。これにより、ファラデー効果が増強される角度条件において、光導波路によって透過光が効率よく取り出されると期待できる。このデバイス構造は現在検討中であるが、センサーデバイスに応用できると考えられる。また、薄膜上にアレイを形成させ、アレイに接触した溶液等の屈折率をセンシングするためのデバイス応用も検討し、試作なども行う予定である。
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| Causes of Carryover |
本年度までに達成した成果を論文にまとめ、次年度に発表予定である。そのために必要とされる再現実験、及び他波長域における光に対するファラデー効果測定等を行う必要があり、実験費用、論文投稿費などを次年度に使用する予定である。
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Research Products
(4 results)
