2023 Fiscal Year Annual Research Report
Biomolecular sensing in all-dielectric metasurfaces with collective resonances
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22K20496
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
渡邊 敬介 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, ICYSリサーチフェロー (90945362)
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| Project Period (FY) |
2022-08-31 – 2024-03-31
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| Keywords | メタサーフェス / BIC / シリコン / ナノギャップ / バイオセンサ / 強結合 / 赤外分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ構造をアレイ化したメタサーフェスは機能の起源が個々の構成単位に由来し、その応用に応じてその構造に多くの工夫の余地がある。本研究では、上記に加え誘電体ナノ構造の周期性に起因する効果としてBound state in the continuum (BIC) と呼ばれる光の局在状態に着目し、(1) 高感度な生体分子センシング、(2) 赤外分光の実現を目的とした。(1) においてはシリコンベースのメタサーフェスにおいて、周期ナノ構造の個々のユニット構造の対称性を破ることで得られる準BICモードを利用し、BIC起因する共鳴効果 (=シャープなスペクトル) とナノギャップの効果 (=光と物質の相互作用増大) を組み合わせることで、周囲の屈折率変化に対して共鳴モードが高分解能にシフトするセンシングを実現した。さらに屈折率センサとしての検出限界が最小になる条件を理論モデルから導くことで最適な構造条件を予測し、実験との対応も確認した。その結果、10の－5乗オーダの検出限界を実証した。(2)では、メタサーフェスの準BIC共鳴モードと中赤外域での分子振動の結合特性について調べ、周期ナノ構造に与える非対称量に応じて分子振動との結合系が弱結合から強結合領域へ容易に変えることができることを示した。さらに、分子結合前後のスペクトルから増強分子振動シグナルを求めると、特定の非対称量においてシグナル最大となり、高感度な赤外増強デバイスの可能性を示した。半導体シリコンは従来の金属材料に比べ、安価で高精度な加工が可能なCMOSプロセスによる大量生産も可能であり、実用的かつ高感度な分子センシングの実現に寄与すると考えられる。
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