2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of non-reciprocal nanophotonic devices using ferromagnetic nanogranular films
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19K21959
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岩本 敏 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40359667)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 伸聖 公益財団法人電磁材料研究所, その他部局等, 研究員(移行) (70205475)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気光学効果 / ナノグラニュラー膜 / 非相反性 / ナノフォトニクス / トポロジカルフォトニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セラミックスと微細な磁性グラニュールから成るナノグラニュラー膜は、光通信波長帯において巨大なファラデー効果を示す。本研究では、ナノグラニュラー膜において、膜組成や作製方法を検討することによって、大きな光透過性と大きなファラデー効果、すなわち性能指数の優れた材料の開発を目指すとともに、その非相反ナノフォトニクスへの応用を目指す。
昨年度には、膜組成の検討によって、マトリックスの結晶性を向上させ、高い光透過性を示す膜が得られ、高い性能指数が実現することを明らかにした。スパッタ膜の結晶性は、成膜時における基板温度、また成膜後の熱処理によって変化することが知られている。これを踏まえ、本年度は基板加熱および成膜後の熱処理による効果を検討し、それらの加熱条件を最適化することによって、更なる性能指数の向上を試みた。その結果、特に成膜後の熱処理により、光透過率およびファラデー効果の両方が大きく改善することが明らかとなった。
また、非相反ナノフォトニクスへの応用においては、膜の損失を考慮した素子設計が重要である。本年度は、ナノグラニュラー膜を用いたフォトニック結晶非相反デバイスについて、バンドギャップ幅と伝搬損失の比で素子性能指数を定義し、ナノグラニュラー膜の光吸収が素子特性に及ぼす影響を検討した。その結果、現状で利用可能な材料系のうち、透過率の高いフォッ化物をマトリックスとした膜が高い素子性能指数を示すことがわかった。さらに、膜の光透過率およびファラデー効果のさらなる向上により、素子性能指数が大きく改善できることも明らかとなった。
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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
基板加熱や熱処理によってマトリックスの結晶性を高めることでナノグラニュラー膜の性能指数を向上させることが可能であることを明らかにした。また、ナノフォトニック素子に応用した場合の材料損失の影響に関する検討から、膜の光透過率およびファラデー効果の向上が素子性能指数を高めることに有効であることを明らかにした。これらの結果は、基板加熱や熱処理などを最適化することによって、ナノグラニュラー膜およびそれを利用したナノフォトニック素子の更なる特性改善が可能であることを示しており、高品質高性能なナノグラニュラー膜の実現とその素子応用に向けて、重要な結果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に得られた結果を基に、ナノグラニュラー膜の基板温度および熱処理などの加熱条件と、得られた薄膜試料の構造および諸特性の関係を明らかにする。この知見を試料作製にフィードバックすることによって、さらに高い磁気光学特性を有するナノグラニュラー膜合成のための方針の確立を目指す。さらに、対象とする組成系の選択範囲を窒化物や酸化物にも拡大して、フッ化物以外のマトリックスについても成膜後の加熱処理を詳細に検討することによって、膜中のマトリックスを構成するセラミックスの結晶化を促進し、性能指数の向上を図る。また、開発されるナノグラニュラー膜を用いた非相反ナノフォトニックデバイスの設計についても継続して取り組み、膜特性を活かせる導波路型デバイス、フォトニック結晶型デバイスなどを幅広く検討する。さらに、材料のデバイス作製プロセスへの適用性を検討し、プロセス技術の開発をすすめる。これらの取り組みを通して、ナノグラニュラー膜を用いた非相反ナノフォトニックデバイスの創出を目指す。
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| Causes of Carryover |
非相反ナノフォトニックデバイスを実現する上で重要となる高い性能指数を示すナノグラニュラー膜の開発と、材料が持つ吸収損失がデバイス応用時に及ぼす影響の解明に重点的に取り組み、プロセス技術の開発開始時期を後ろ倒ししたため。
素子作製プロセス技術の開発や特性評価に必要となる消耗品費、クリーンルーム設備使用料に充当する予定である。
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