2022 Fiscal Year Annual Research Report
トロイダル双極子共鳴のデバイス応用に向けたメタサーフェスプラットホームの構築
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21H01748
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
藤井 稔 神戸大学, 工学研究科, 教授 (00273798)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉本 泰 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (40793998)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | メタサーフェス / 吸収増強 / 近赤外 / シリコン / 光電流増強 / トロイダル双極子共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに，シリコン薄膜上にアスペクト比が小さいシリコンナノディスクのHexagonal arrayを配列した構造について，シミュレーションにより基本特性の解析を行ってきた．それにより，構造パラメータと共鳴モードの関係を明らかにし，目的の波長で高い吸収増強度と高Q値を同時に実現する構造の探索を行った．また，シミュレーションにより決定したナノディスクアレー構造を大面積に形成する技術を開発し，光吸収特性と光電流特性の評価を行った．本年度は，前年度に得られた実験データのシミュレーションによる解析を行い，シリコンのエネルギーギャップよりも長波長の領域でトロイダル双極子共鳴による光電流の増強の実現に成功していることを実証した．また，シミュレーション及び実験の結果を論文にまとめACS Photonics誌に発表した．さらに，当初予定していなかった展開として，シリコンナノディスクアレーとミラーを組み合わせた構造において，Fabry-Perot bound states in the continuum（FP-BIC）の発現により入射光の完全吸収を実現できる可能性がある事を検証した．原理検証を目的とする解析的な検討とシミュレーションによる定量的な検討により，この新構造を用いると吸収係数が非常に小さい波長領域において完全吸収が発現し，光電流をさらに増大できる可能性がある事を示した．また，構造パラメータと吸収特性の関係について詳細な検討を行い，提案した構造が実際に作製可能である事を示した．シミュレーションの結果を論文にまとめJournal of Applied Physics誌に発表した．
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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
シリコンナノディスクアレーメタサーフェスのトロイダル双極子共鳴による狭帯域近赤外光吸収とそれによる光電流増強に関して、当初予定していた研究をほぼ終了し論文を執筆した．論文はACS Photonics誌に発表した．さらに、研究の新しい展開として，シリコンナノディスクアレーとミラーを組み合わせた構造において，Fabry-Perot bound states in the continuum（FP-BIC）の発現により入射光の完全吸収を実現できることをシミュレーションにより示した．シミュレーションの結果を論文にまとめJournal of Applied Physics誌に発表した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度まではトロイダル双極子共鳴を有するシリコンナノディスクアレーをナノスフィアリソグラフィーにより作製していた．この方法はナノディスクアレーを低コストで形成できるという特徴を持つが，配列に欠陥が生じるため微細加工技術を用いる場合に比べると精度が劣るという課題がある．構造作製の精度を向上させるために電子ビーム描画によるナノディスクアレー形成のプロセスを確立する．それに続いて，前年度にシミュレーションにより詳細に検討したシリコンナノディスクアレーとミラーを組み合わせた構造について実験研究を開始する。具体的にはシリコン上にアルミニウムミラーを形成し，その上にシリカのスペーサーを介してナノディスクアレーを形成するプロセスを確立する．この構造ではスペーサー厚がFP-BICの特性を決める重要なパラメータであるため，その依存性を実験的に検証できる構造を作製する．作製した構造に対して積分球を用いた拡散反射特性と拡散透過特性の測定を行い，吸収スペクトルを得る．得られた結果とシミュレーション結果を比較することにより，構造パラメータの最適化を行い，最終的には本構造が完全吸収を示すことを実証する．光学測定による吸収増強の実証の後，デバイス上部両端に電極を形成し光電流測定が可能な構造を形成する．各種構造パラメータと光電流スペクトルとの関係を詳細に調べ，完全吸収による光電流増強を実証する．
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