2023 Fiscal Year Annual Research Report
Enhancement of optical interaction and all-optical switching by degenerate critical coupling in single-layered graphene
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23H00274
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高原 淳一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (90273606)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤方 潤一 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (00869159)
古部 昭広 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (30357933)
岩崎 拓哉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 独立研究者 (50814274)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | メタサーフェス / グラフェン / 完全吸収体 / ミー共振 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単層グラフェンは電子デバイスだけでなく光デバイスとしての応用が期待される。しかし、単層グラフェンと光との相互作用は弱く、光吸収率は2.3%しかない。単層グラフェンの光吸収率をミー共振器アレイを用いて増強させるため、シリコンメタサーフェス・単層グラフェンのハイブリッド型素子を作製した。その結果、以下の結果を得た。
１）光通信波長1550nmにおいて、トロイダル電気双極子と磁気双極子の縮退臨界結合により完全吸収体となる中空型直方体ミー共振器のアレイ構造を設計した。本構造の作製においては、トロイダル電気双極子を効率よく励起させるため、通常の直方体ミー共振器にドーナツ状の中空穴をあける必要がある。このとき中空穴の設計サイズは210nmであり、微細加工プロセスで作製可能なサイズの範囲内に収まるようにすることができた。
２）スコッチテープによるピーリングによりグラファイトから単層グラフェンフレークを剥離し、PDMS（Poly DiMethylpolySiloxane）スタンプによる転写装置を用いて、上記のシリコンメタサーフェス上に単層グラフェンを担持させることに成功した。その後、ラマン散乱分光スペクトルによりグラフェンが単層であることを確認した。
３）六方晶系窒化ホウ素（hexagonal Boron Nitride: hBN）によりサンドイッチされた単層グラフェンにおいて、波長1550nmの光照射による光起電力の測定に成功した。この光起電力の原因が光熱起電力効果によることを解明した。
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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
グラファイトから単層グラフェンフレークを剥離し、これをシリコンメタサーフェス上に転送して担持することに成功した。これにより、当初の計画通り素子を完成することができた。
しかし、既存のFT-IR顕微分光システムではカセグレン型対物レンズのために垂直方向のスペクトルの取得が困難であることがわかった。これを解決するために、近赤外分光器を備品として購入し、近赤外用対物レンズを用いて垂直吸収スペクトルを取得できる近赤外顕微分光システムを構築した。
また、波長1550nmにおいて単層グラフェンの光起電力効果を実験的に観測することができた。これは今後のシリコンメタサーフェスと単層グラフェンとのハイブリッド系における光検出実験の基礎となる成果といえる。
以上の結果より、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
シリコンメタサーフェス上に単層グラフェンを担持することに成功したものの、まだグラフェンとミー共振器間の結合効果の確認には至っていない。これはグラフェンとメタサーフェスとの密着性が低いためであると推測される。密着性を向上させるため、アニーリング時間を現状の数分間程度から、１時間程度に長くする予定である。
また新しい展開として、メタサーフェス上にのせるナノ材料をグラフェンに限定せず、他の２次元ナノ材料である遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）にも拡張する予定である。単原子層TMDCは半導体であり、高いエキシトン結合エネルギーをもつことが知られている。これによりメタサーフェスの光学機能性を高め、光デバイスへの応用をさらに拡張できると考えられる。
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