2022 Fiscal Year Research-status Report
負誘電率周波数帯の表面電磁波共鳴を用いたテラヘルツイメージングの研究
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22K04940
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
四方 潤一 日本大学, 工学部, 教授 (50302237)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 正則 日本大学, 工学部, 教授 (10222902)
大野 誠吾 東北大学, 理学研究科, 助教 (70435634)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | テラヘルツ波 / 表面電磁波共鳴 / 負誘電率領域 / スペクトル・ドリル法 / イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、表面フォノン放射型テラヘルツ波発生において対象とする非線形光学結晶と表面回折格子の設計を明らかにするため、まず有限要素解析による表面フォノン放射の解析手法確立に取り組んだ。非線形光学材料にはテラヘルツ波発生に実績をもつニオブ酸リチウム結晶、光学フォノンモードにはA1対称モードを選定して負誘電率領域における固有値解析を行った。その結果、理論から予測されるP偏光成分のみ表面フォノン放射が起こることが確かめられ、解析手法の妥当性を確認した。さらに周波数を掃引して放射されたテラヘルツ波の自由伝搬方向を解析することにより分散特性を明らかにすることに成功し、非線形光学材料選定への基盤を得た。また本課題では表面フォノンをファブリペロー共振器に閉じ込め、その内部に幾何学的位相シフタを配置してスペクトルドリル共振器とし、発生するテラヘルツ波の狭線幅化と周波数掃引が可能であるかを調査する。ここで発生波長は光学フォノン周波数に対応することから、従来のスペクトルドリルに対して根本から設計を見直す必要がある。そこで本年度はそのために幾何学的位相シフタに必要な条件についての検討を進めるとともに、各所属に有するテラヘルツ波光学実験系の整備を進めた。一方デバイス製作においては、強誘電体であるニオブ酸リチウム結晶の凹凸構造の形成において、チャージアップの問題から反応性イオンエッチングが困難であることを確認している。この技術的課題を克服するためにはウエットエッチングが有効である可能性が高いと考えており、利用可能な試薬の調査と微細加工プロセスの条件出しを進めた。また、テラヘルツイメージング用の測定試料として作製条件の異なる複数のAl/Si/SiO2構造を作製し、金属誘起結晶化による多結晶Si薄膜成長過程の構造変化を顕微鏡、X線回折及びX線光電子分光を用いた実験的調査を進めた。
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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
本研究の初年度である令和4年度は、（1）本課題で必要となる表面フォノン放射型テラヘルツ波発生において不可欠な電磁場解析手法の基盤を確立すること （2）新しい電磁波スペクトルの制御法であるスペクトル・ドリル法について、テラヘルツ帯表面フォノン発生への導入における具体的な実験方法の検討を開始し、テラヘルツ光学系の構築に着手すること （3）テラヘルツ帯表面フォノン発生およびテラヘルツイメージング測定用試料に関連したデバイス製作の方法検討と試作への着手を主な予定とした。（1）については、分散特性を有する材料の有限要素解析において当初は計算機メモリのリソース不足や計算の長時間化の問題に直面したが、固有値解析を用いた表面フォノン放射の計算に切り替えることにより、妥当性のある数値計算結果が比較的短時間に効率的に得られることが分かり、これまで未知の点が多いフォトニックバンド構造についてもその端緒が得られた。また（2）については、まず幾何学的位相シフタを構成する波長板の構成材料の選定が課題であり、その探索指針として異方性と透過性を両立する必要があることから、その有力候補として軸性をもつ半導体材料等について検討を進めている。ただし、材料の光学フォノン周波数ではほとんど透過しないため、発生させる表面フォノンと一致しない帯域のマッチングを目指す必要があることがわかった。（3）については、現在利用可能な試薬に制約のあることが判明し、代替試薬による微細加工条件出しが必要となったが、個々の加工条件を確定することに成功した。製作プロセスにおけるマスクパターン位置合わせの実績が少ないものの、今年度の結果に基づいて次年度は表面フォノン放射のデバイス作製にも着手できると考えている。以上から初年度の計画はほぼ遂行しており、本課題は概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のように、本年度の計画である（1）表面フォノン放射型テラヘルツ波発生の電磁場解析手法の基盤確立、（2）テラヘルツ光学実験法の検討とその準備 （3）デバイス製作法の検討と着手は、ほぼ予定通り進展した。そこで今後の研究内容・方策として、（4）テラヘルツ帯表面フォノン放射に関わる波数・周波数領域計算の精密化と高い放射効率を得るための構造設計への検討、（5）テラヘルツ帯表面フォノン放射に関するスペクトル・ドリル法の具体的なデバイス構造の検討と予備実験への着手、（6）表面フォノン放射型テラヘルツ波発生デバイスの試作を順次進めていく予定である。特に表面フォノン放射型テラヘルツ波発生に関わるテラヘルツ光学実験は本研究で中心的課題であるため、研究代表者と分担者の緊密な連携により電磁場解析の結果を共有し、ターゲットとする周波数領域の第一候補を選定していく予定である。これに基づいてテラヘルツ波放射の高効率化方法にも検討を進め、デバイスの試作や光学実験による検証への展開を図る。広帯域な周波数掃引を目指すスペクトル・ドリル法については、発生させる表面フォノンについて周波数がある程度絞れた段階で、位相板として適合する材料を選定する。また、発生周波数調整の原理検証実験として、現段階ではレーザ媒質と幾何学的位相シフタを共振器内に入れた構造が有望であると考えており、その具体的な方法について検討していく予定である。一方デバイス作製においては、まずニオブ酸リチウム結晶を非線形光学材料の候補として、励起光の入射配置を考慮した凹凸作成面の選定を行う。そこで精密な微細構造作製の実現に向けて、マスクパターン位置合わせやエッチング方法に対する検討と基礎実験を行い、作製プロセスの確立を目指す。その際、状況に応じて東北大学試作コインランドリの利用も検討していく予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用が生じた理由として、まず光学実験において不可欠な機器制御ソフトにおいて、ライセンス使用の課金体系が変更になりサブスクリプション化されたことが挙げられる。これによって単年度当たりの使用料が高額化し、初年度はベースのシステムしか購入できない結果となったため残額が生じた。しかし、初年度で比較的大きい割合を占める電磁場計算に関わる経費は予定通り使用し、上述のように初年度で計画した重要目標の1つである電磁場解析手法の基盤確立という目標達成のために有効活用できており、本研究課題の執行に大きい影響はないものと考えられる。この残額は、次年度以降で本格化していくデバイス作製のための材料費や光学実験のための部品費、研究打合せのための国内旅費等に活用していく予定である。また第二の理由として、購入を検討していた光学素子の納期の遅れやそれに伴う物品の再検討により生じた差額分が挙げられる。次年度は光学実験系の構築を検討していることから、これらの差額分を柔軟に利用して光学実験を進めていく予定である。第三の理由として、デバイス製作実験での消耗品購入で生じた少額の残金が挙げられる。これは全体的にも小さい割合であり、本課題の遂行に対する影響は少ないと考えられる。この少額の残金は次年度以降のデバイス作製費等に活用していく予定である。
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Research Products
(12 results)
