2014 Fiscal Year Annual Research Report
表面プラズモンで生じる局所熱発生解析と光熱メタマテリアルの創成
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26286058
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
梶川 浩太郎 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (10214305)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
下条 雅幸 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (00242313)
藤村 隆史 宇都宮大学, オプティクス教育センター, 准教授 (50361647)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．構造設計
本年度は、ナノ構造伝熱解析のための基礎プログラムとして、3次元熱伝導方程式を差分化し時間発展をシミュレートするプログラムを作製した。本シミュレーターによって金微粒子のプラズモン共鳴吸収による熱発生（吸収断面積は別途DDSCATにより計算）と熱拡散を計算し、プログラムの妥当性を確認した。また一方で、様々な金属におけるセミシェル構造の吸収断面積をDDSCATにより評価し、効率よい熱源となりうるナノ構造の探索を行った。その結果、貴金属以外では、Al,Mg,Liなどの金属が大きなプラズモン共鳴吸収を示すことがわかった。
２．実験による検証
633nmのHeNeレーザーによるアンチストークス蛍光を示し、温度による強度の増加が最も大きい色素や量子ドットを探索した。その結果、ローダミン101(Rh101)が最適であることがわかった。高屈折率プリズムを用いた全反射減衰法の光学系を構築し、電気的および光学的（半導体レーザー520nm）にプリズム界面の色素を選択的に加熱し、633nmのHeNeレーザーによるエバネッセントアンチストークス蛍光の観察による温度測定に成功した。エバネッセント蛍光の放射角依存性の測定結果より得られた界面からの温度上昇プロファイルと計算により求められる温度上昇値との比較を行い、両者によい一致をみた。よって、アンチストークス蛍光を用いた温度測定の妥当性が検証された。
３．光熱メタマテリアルの創成
蓮の葉に金をスパッタすることにより可視領域全体にわたり強い吸収を示す、光熱メタマテリアルを創成した。厚さ10nm程度の金のスパッタリング量で、反射率が2%以下の表面が作製できることがわかった。
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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
本研究は金属ナノ構造中の表面プラズモンによる光吸収と熱の発生、そして、熱伝導の理論的、実験的な理解を目的とする。そして、その応用として、光熱メタマテリアルを創成することを目的としている。
これらを実現するため、以下の事項に関する研究を行う。
１． 光応答と熱伝導を組み合わせた計算機シミュレーション法の開発
２． 光熱メタマテリアルの創成
本年度では、ナノ領域の温度測定法として、アンチストークス蛍光を測定する方法を提案する。そして、ナノ構造伝熱解析のための基礎プログラムを作製して、時間発展をシミュレートするプログラムを作製することを目標とした。これらの項目が概ね達成できたため、順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は以下の内容について研究を進めていく予定である。
１ 局在プラズモン共鳴による温度上昇の測定手法の開発を行う。
２ 光熱メタマテリアルの作製法をさらに追求し、高効率な光吸収体を開発する。
３ DDSCATと連携したシミュレーションが行えるようにプログラムの改良を行う。
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| Causes of Carryover |
当初計画で予定していた分光器と冷却CCDカメラは色素を適切に選ぶことにより現有設備を使うことにより解決できることがわかった。現在の段階ではこれを使って実験をすすめるが、コンピュータプログラムの更新により、この設備が使えなくなることが予想されており、導入時期を遅らせることとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
分光器に取り付けるCCDカメラを導入することを計画している。場合によっては、分光器と一体化した分光装置の導入も検討する。
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