2023 Fiscal Year Annual Research Report
Enhancement of optical functionalities of magnetic and dielectric materials based on meta-optics
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21H04619
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 勝久 京都大学, 工学研究科, 教授 (80188292)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 晃司 京都大学, 工学研究科, 教授 (50314240)
村井 俊介 京都大学, 工学研究科, 助教 (20378805)
赤松 寛文 九州大学, 工学研究院, 准教授 (10776537)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | メタ光学 / 磁性体 / 誘電体 / 光機能 / プラズモニクス / ミートロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
メタ表面の構築と光学的特性評価に関しては、これまでの年度での研究を継続した。まず、プラズモニクスとミートロニクスの概念に立脚してメタ表面となりうる物質群を新たに開拓し、ナノ加工プロセスを駆使してさまざまな微視的構造のナノアレイを作製した。具体的に対象とした物質は、Au、Ag、TiO2、HfO2などである。特にHfO2は2023年度に初めて扱った物質である。Au系はナノロッドが周期的に配列したアレイを作製し、熱処理によって個々のロッドのアスペクト比を変え、それが光学特性の異方性に変化をもたらすことを確認した。Agナノ粒子アレイについてはこの系で初めてとなるナノアンテナシールを作製することに成功した。TiO2系は従来の円柱状のナノ粒子とは異なる矩形状のナノ粒子の配列を実現して、光学的異方性を制御できることを示した。
新規酸化物磁性体と誘電体についてはRFe2O4（Rは希土類あるいはIn）の物性の評価に注力した。R=Tmの系に関して、フローティングゾーンメルティング法で単結晶を育成し、スイッチング分光圧電応答顕微鏡、走査非線形誘電率顕微鏡、レーザー干渉変位計、透過型電子顕微鏡、単結晶X線回折から得られる結晶構造と誘電性に関するデータと密度汎関数法を用いた第一原理計算の結果を詳細に検討して、TmFe2O4が室温で強誘電体かつ圧電体となることを実証した。また、R=Erの系についても単結晶育成を行い、磁気的性質を調べた。熱重量分析から酸素欠陥を有することが明らかになった試料に対して、磁場ならびに零磁場冷却過程における直流磁化の温度依存性、交流磁化率の温度ならびに周波数依存性、磁場下ならびに無磁場下でのエージング効果などの測定と実験結果の解析に基づき、この化合物がフェリ磁性転移後に低温でリエントラントスピングラス相に転移することを明らかにした。さらに、この試料を熱処理すると比較的大きな交換バイアス効果が生じることを見いだした。
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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
メタ光学に関しては、メタ表面を構成する物質の探索とメタ表面の微視的構造の二つの観点から進展が見られた。物質探索の点ではHfO2基のナノ周期アレイが新たなミートロニクス材料となりうることを見いだした。HfO2はTiO2と比較して屈折率の点で劣るものの、バンドギャップがTiO2より大きく、可視域の短波長から紫外域の広い範囲で光吸収がなく光学損失が抑えられるという点で短波長光機能材料への応用に適している。また、Agナノ周期構造は基板から樹脂への転写が非常に難しく、ナノアンテナシールの作製は困難であったが、Alとの部分的な合金化を利用することでその作製に成功した。矩形状TiO2ナノ周期アレイも期待通りに光学的異方性をもたらすことが実証された。
新たな酸化物誘電体ならびに磁性体の開拓の観点ではTmFe2O4とErFe2O4の物性に関する研究が進んだ。TmFe2O4では複数の測定手段を用いた実験と第一原理計算から、この化合物が室温で強誘電体かつ圧電体となることを実証した。一連のRFe2O4組成の化合物では、2005年にLuFe2O4が強誘電体であることが示唆されて以降、これを契機に活発な研究が国内外で進み、特にLuFe2O4は強誘電性を否定する報告も数多くなされ、本質的な誘電性については議論が続いていた状況であったが、少なくともTmFe2O4が強誘電体であることを実証したことはこの論争に部分的に決着を付ける成果となった。また、ErFe2O4では酸素欠陥のある単結晶を熱処理すると比較的大きな交換バイアス効果が現れることを発見した。本来、この化合物は磁気異方性が小さく、交換バイアス効果はほとんど見られないとされていたが、単結晶における酸素欠陥の分布を制御することで磁気的な秩序状態の異なる領域をバルク内に設けることができたため、この現象が観察されたと考えられる。これは当初予想しなかった成果である。
以上、当初の目的に鑑み、研究は予定通り順調に進んでいると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
メタ表面の開拓については、これまでに引き続き、さまざまなナノ構造を持つメタ表面の構築と基礎的な光学特性の評価を実験と数値シミュレーションに基づいて進めるとともに、メタ表面と磁性体、誘電体、蛍光体とを組合わせることにより、新たな光機能材料を創出する。これまで扱ってきた金属を中心としたプラズモニクス材料とSiや高屈折率酸化物などのミートロニクス材料を対象に、ナノ加工プロセスを利用して、ナノ粒子の大きさ、形状、配列、周期性を制御した種々の構造を作製する。得られたメタ表面の消光スペクトル測定を行うとともに、メタ表面構造をモデル化した数値シミュレーションによる電場分布の解析と消光スペクトルの再現を実行し、メタ表面の光学特性を明らかにする。加えて、メタ表面と蛍光体の組合せにより発光増強や指向性を実現し、新たな光機能材料へ展開する。
磁性と誘電性が共存するマルチフェロイクスの視点から、RFe2O4組成を中心とした層状フェライトについても研究を継続する。特にR=Erの化合物では酸素欠陥が存在する試料においてスピングラス転移が見られるのに対し、これを熱処理した試料では、本来はこの化合物には現れない大きな交換バイアス効果が生じることが2023年度の研究で明らかになっているため、この機構を実験的に解明することを試みる。具体的にはEELSおよびHAADF-STEMを利用して原子レベルでの構造解析を行い、結晶構造と格子欠陥の観点から考察を行う。また、Y系とYb系については酸素欠陥と結晶構造ならびにマクロな誘電性との間に相関があると考えられることから、酸素欠陥濃度を制御した単結晶を育成し、誘電性を明らかにして、これを実証する。
今年度は最終年度であるため、これまでの成果の報告を積極的に行う。応用物理学会、日本セラミックス協会、日本物理学会などで発表するとともに、物理学、応用物理学、材料科学などに関する学術誌に論文を投稿する。
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Research Products
(40 results)
