2015 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, 工学(系)研究科(研究院), 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．ナノ領域の温度測定に関する研究 エバネッセント光による励起および蛍光の観察により、アンチストークス蛍光測定によるナノ領域の温度測定が行える光学系を構築し実験を行った。そのため、冷却CCDを用いて蛍光スペクトルを測定するシステムを構築した。エバネッセント・アンチストークス蛍光の強度が弱いためである。また、別途顕微鏡装置を組み、励起光とエバネッセント光の光軸を正確に一致させられるようにした。以上により、0.1度以下の精度でナノ領域の温度測定が行えるようになった。その結果、アンチストークス蛍光放出に基づく冷却が起こっていることを実証できるようなった。アンチストークス蛍光放出時に周囲の分子振動等からエネルギーが分配されているため冷却が起こる。固体系では報告があるが、液体での報告例はほとんど無く、ナノ領域における冷却の報告は皆無である。当初予想していた以上の成果が得られたことになる。
２．光熱メタマテリアルの作製 自然界に存在する蓮の葉や里芋の葉の表面に金属をコーティングすることにより、広い波長範囲にわたって光を強く吸収する熱メタマテリアルの作製に成功した。昨年度は予備的な結果が得られただけであったが、本年度は様々な条件で検討し、走査型電子顕微鏡による詳細な構造観察、それを元にした計算モデルの構築、および、電磁界解析結果との比較により光を吸収するメカニズムについて考察を行った。実験および計算の結果は定性的な一致が得られているが、今後は定量的な一致が得られるようにモデルの構築を進める予定である。さらに、前年度作製した3次元熱伝導解析シミュレーターを発展させ、離散双極子プログラムであるDDSCATの出力と連携させるプログラムの実装をおこなった。これにより、プラズモン共鳴吸収によってナノ構造内に生じている熱源の分布をより正確に熱伝導解析に取り込むことができようになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的の一つであるナノ領域の局所的な温度測定法の開発に関しては順調にすすんでいる。さらに、アンチストークス蛍光放出に基づく冷却効果が起こっていることも実証でき、当初予想していた以上の成果が得られた。
本研究のもう一つの目的である光熱メタマテリアルの作製については、蓮の葉だけでなく里芋の葉においても同様の性能のものが作製できることがわかった。走査型電子顕微鏡による構造観察の結果、蓮の葉と里芋の葉のナノ構造は全く異なることがわかった。今後は光を吸収するメカニズムについてさらに追求を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ領域の温度測定についてはほぼ確立できたので、今後は光熱メタマテリアルにおける高効率光吸収と熱の発生の観測、および、計算機によるシミュレーションを行い、微視的な領域における光熱変換と熱伝導に関する知見を深めていく予定である。得られた成果は光熱治療や中赤外領域の良質な光源の開発等、医療や計測技術の分野に大きな波及効果をもたらすと考えられるため、その応用方法についても考えていく予定である。
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| Causes of Carryover |
27年度の当初計画で予定していた近赤外（NIR）スペクトロメータについては、本年度の研究が可視光領域を使った研究を中心となったため購入を取りやめ、28年度にFT-IR装置を購入することとした。FT-IR装置として導入すればメンテナンスがよく、NIR帯だけでなく中赤外までスペクトルがとれるという特徴がある。研究の進展により、中赤外までスペクトルがとれる方が得られる成果が大きいと期待できる。新しいFTIRの見積もりをみると、NIRスペクトロメータと同じ位の費用で購入ができることがわかった。そのため、28年度にFT-IR装置を購入して、NIR帯や中赤外のメタマテリアルの研究を進める予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度では、FT-IR装置を購入して、NIR帯や中赤外で動作する光熱メタマテリアルの研究を進める。
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