2015 Fiscal Year Annual Research Report
エピタキシャル多層薄膜による低損失プラズモニック・メタマテリアルの実現
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25390100
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| Research Institution | Tohoku Institute of Technology |
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Principal Investigator |
内野 俊 東北工業大学, 工学部, 教授 (40614970)
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2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / プラズモニック材料 / 光電子デバイス / 多層膜 / エピタキシャル成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
メタマテリアルは光の屈折率を従来不可能だった負の値にすることができるので、光デバイスの高性能化および小型化を実現する新材料として近年注目されている。しかし、メタ表面で表面プラズモンが励起されるときに、金属表面で大きなエネルギー損失があり、理論から予想される高性能が得られなかった。
そこで、本研究では高効率材料のAgを含むエピタキシャル多層薄膜成長技術を開発し、粒界のない表面粗さ0.2nm以下の平坦な表面を形成することによって、光エネルギーを従来の20倍以上の高効率で制御することを目的とした。最終年度は、前年度までに開発した単結晶薄膜成長技術を用いてAg薄膜を形成し、メタマテリアルの作製と評価を行い、以下の結果を得た。
1．Ag薄膜をLiF基板上に形成した場合、Agがアイランド状に成長するため連続薄膜が得られなかった。そこで、Au/Agの2層構造を検討した結果、膜厚90/50nmで表面粗さ0.1nm以下の平坦な単結晶薄膜が得られた。このAu/Ag薄膜は、分光エリプソメトリー測定から近紫外から赤外までの広範囲な波長で光デバイスとして使用可能で、その表面プラズモンに関するQ値はAu単結晶薄膜と比較して約2倍大きいことがわかった。
2．Ag薄膜をマイカ基板上に形成した場合、堆積温度500℃、膜厚110nm以上で連続薄膜が得られた。このAg薄膜は表面粗さ0.4nmの平坦性を持ち、室温で堆積した試料と比較すると表面粗さは約1/4だった。次に、結晶構造をX線回折およびTEMを用いて評価した結果、(111)面を持つ単結晶であることがわかった。また、Q値は従来の多結晶Au膜と比較して20倍以上大きいことがわかった。
3．本研究で得られたAg薄膜を用いてナノ構造メタマテリアルを作製した結果、近紫外から赤外までの広範囲な波長でメタマテリアルによる強い吸収スペクトルを観測することに成功した。
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