積層化金属ナノ構造を利用した極薄光アイソレータの研究開発

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01851
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 穂苅 遼平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20759998)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 健太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60709509) ; 栗原 一真 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (90392612)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: メタマテリアル / 光アイソレータ / 積層化金属ナノ構造 / ナノ印刷プロセス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、可視光域で非対称な透過現象が発現する特殊な金属ナノ構造を研究し、その光透過率の非対称性（アイソレーション性能）および有効波長域を定量的に明らかにすることである。これに向けて本年度は、下記の研究項目を実施した。
【実施内容】特殊な金属ナノ構造とアイソレーション性能の相関解明
本研究の特色は、金属ナノ粒子インクを用いた印刷プロセスによる金属ナノパターンの3次元積層カイラル構造を作製し、そのアイソレーション性能および有効波長域との相関関係を明らかにすることである。可視域で機能する適切な3次元積層カイラル構造の設計指針を導くため、まずは数値計算（RCWA法）を用いた光学特性の解析を行った。また、作製プロセスの検討のため、設計した構造のモールドを電子線描画とドライエッチングにより作製し、設計構造をナノ印刷プロセスによる形成を試みた。
【得られた成果】
計画に沿って設計、製作、評価を進めることができ、RCWA法による数値計算では、可視光域で円偏光の向きによる非対称性が発現する特殊金属ナノ構造を見出すことができた。この構造体は、ナノ印刷プロセスの積層により実現できる形状である。現在は広帯域化構造の検討を進めている。作製においては、1レイヤーの設計構造をナノ粒子インク焼成体で実現する1レイヤー形成プロセスの構築に至った。光学評価では、ナノ構造起因の光学応答を実証することができ、その分光散乱の評価を行った。さらに、繰り返し印刷プロセスを行うことで簡便に任意の3次元ナノ構造を実現する技術の開発においては、密着性、平坦性、アライメント（x, y, θ）、積層間隔制御が重要であり、その誤差による光学特性への影響を評価しつつプロセス技術の構築を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度計画していた特殊な金属ナノ構造とアイソレーション性能の相関解明を順調に進めることができ、その研究開発の要素となる設計、作製、評価の一連の研究環境を構築することができた。現状の課題は積層化である。設計した光学特性を示すように積層化する手法は本研究のみならず、ナノ構造体を利用した光学素子において重要であるが、その積層化に適した材料、プロセス技術を検討に時間をかけている。ここでの検討は次年度以降の研究開発を円滑に進める上で重要であり、着実にデータを蓄積し、構造が変わっても対応できるプロセスを開発していく。

Strategy for Future Research Activity

次年度は本年度に引き続き、「特殊な金属ナノ構造とアイソレーション性能の相関解明」を行う。3次元積層構造と光学特性の関係性を明らかにし、数値計算へのフィードバックを繰り返し行い、カイラル構造で実現可能なアイソレーション性能の範囲および有効波長範囲を明確化していく。さらに、これにより得られた構造と光学特性の相関データを利用し、広帯域化に向けた検証を行う計画である。