2013 Fiscal Year Research-status Report
多層膜フォトニック粒子の創製及びフォトニック結晶としての機能実証
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25790015
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Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
今北 健二 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50598430)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ / フォトニック結晶 / 多層膜粒子 / 発光 |
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| Research Abstract |
本研究は、光の波長の1/4程度の膜厚を有する多層膜フォトニック粒子の作製を目標としている。本年度は、(1)多層膜フォトニック粒子が、微小球共振器として機能することを理論的に示すこと、(2)実験的に、化学的手法である液相合成法を用いて多層膜フォトニック粒子の作製を行うこと、を目標として研究を行った。それぞれの進捗は以下の通りである。
(1)計算による多層膜粒子の光学特性解明：共振器の指標である、パーセルファクター、Q値、モード体積を理論的に計算し、膜の屈折率や層数、膜厚ばらつきとの関係を明らかにした。現実的に作製可能ないくつかの材料に焦点をあて、系統的に計算を行った結果、SiO2、TiO2、Y2O3等、一般的に液相合成で作製できる材料で、紫外、可視域に完全フォトニックバンドギャップを形成できることを明らかにした。また、層数の増加とともにパーセルファクターを増加させることができることを明らかにした。さらに、膜厚のばらつきが、5%程度以下であれば、パーセルファクターの減少量が10%以下であることを明らかにした。これらの結果により、多層膜フォトニック粒子を作製するための指針を得た。
(2)実験による3層粒子の作製：第1層にY2O3,第2層にSiO2,第3層にY2O3とする多層膜粒子の作製を行った。SiO2をゾルゲル法で、Y2O3を均一沈殿法で作製した。粒子の直径は300nm程度である。膜形成時の原料の濃度、反応温度等を制御することにより、均一な膜を形成することに成功し、また、平均膜厚を光の波長の1/4に制御することにも成功した。さらに、透過型電子顕微鏡により膜厚分布を評価した結果、膜厚のばらつきが、膜厚に対して5%以下であることを明らかにした。以上の結果より、化学的な液相合成法により、多層膜フォトニック粒子を作製することが可能であることを示した。
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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
当初計画通り、3層粒子を作製し、精密に膜厚制御するための反応条件、および方法を検討している。計算及び文献調査により、形成する膜材料をTiO2, Y2O3, SiO2の3種類に絞りこんだ。最も屈折率が高く、優れた性能を期待できるTiO2については、膜厚制御が難しく、1/4光学波長を得ることができなかった。一方、SiO2、Y2O3については、均一な膜を形成することができ、その膜厚も光の波長の1/4程度程度に制御できることが、本研究で明らかとなった。当初1年目の目的としていた、3層粒子の作製については、平均膜厚、膜厚ばらつきの両方の観点から達成できたものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は作製した3層粒子の光学特性評価を行う予定である。顕微光学測定を用いて、単一の微粒子の発光測定及び光散乱測定を行い、理論計算と比較する。この比較により、形成した層が、光を制御する上で十分な精度であることを示すことが目標である。また、本年度は、層の数を増やし5層粒子についても作製する。
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