2014 Fiscal Year Research-status Report
ナノ構造の導入によって機能を高めた光磁気材料の開発
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26420277
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| Research Institution | Tohoku Institute of Technology |
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Principal Investigator |
内田 裕久 東北工業大学, 工学部, 教授 (30271000)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 磁気光学効果増大 / プラズモン共鳴 / 金ナノ粒子 / FDTD計算 / ２次元配列 / 微細構造作製 / レーザ描画装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ構造を材料に導入することによって，その材料が本来持っている機能をさらに高めることができる．電子線描画装置によって作製した周期的配列構造を持つ金ナノ粒子と磁性ガーネットとの複合構造体では，プラズモン共鳴が複数個現れ，それぞれの共鳴波長でファラデー回転角が増大する．ナノ構造体のモデルを作成し，時間領域差分（FDTD）法を用いて透過率スペクトルと電界分布を求めた結果，金ナノ粒子の粒径と周期によって，偏光の電界ベクトルと並行および直交する方向において電磁界分布が変わり，その違いによって共鳴波長が移動する方向と大きさが決まることが明らかになった．
また本研究では微細構造を作製するという目的のために，レーザ描画装置の開発を行った．この装置は基板位置が変化しても対物レンズで集光スポットサイズが一定に保たれるよう，PI制御によるオートフォーカス機構を備えている．CADで作製したパターンに従い，XYZステージを移動させ，フィードバック基準値を変えることによって線幅を変えることができる．またレーザの光強度を調整することによって，線幅が一定でかつ2μm以下のパターンの描画ができた．
工業的な生産に適したナノ構造作製について検討を行った，スピンコート法によりポリスチレン球（直径70nm）を2次元配列した構造形成を試みた．スピンコート時の回転数および基板の温度を変えて成膜した球の基板被覆率を求めた．基板上の異なる位置で多数のSEM像を測定し，画像処理により各位置における被覆率を求め，平均値を求めた．室温の場合，回転数を2500から4000 rpmに上げることにより平均の被覆率は22%から44%まで増加した．また温度を上げることによって，被覆率が上昇し，100℃（2500 rpm）では67%の被覆率が得られた．
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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
本研究に適するプラズモン共鳴によって磁気光学効果を増大させることができるナノ構造体を作製する方法として電子描画法が適していることを確認することができた．またFDTD計算によって，ナノ構造体の周期と粒子のサイズにより，共鳴波長が移動することを示すことができた．シミュレーションにより最適な構造を求めることができるようになった．周期構造体によってその光学応答を制御できることは応用上の利点があり，例えば，ナノ構造体を磁気センサとして使用する場合，使用するレーザ光の波長に合わせた周期構造の試料を作製することで感度を上げることができるようになる．
粒子を２次元に配列させ，それをテンプレートとして周期構造を作製する方法について検討を行ったが，この方法は構造を安価に作製できる可能性を持つものである．広い面積に球を密に並べるための実験を行ったが，その被覆率はせいぜい70%ほどであった．この数値は本研究の目的には十分ではなく，ナノ構造作製のテンプレートとして利用するには，この被覆率をさらに上げる必要がある．
微細構造を作製する手段として，フォトレジストパターンを作製するレーザ描画装置を開発した．装置にオートフォーカス機構を加えることにより，線幅2μm以下で任意のパターンを広範囲で作製することができた．微細加工を行うためには，フォトマスクを使用するフォトリソグラフィが一般的ではあるが，フォトマスクを用意するには時間とコストがかかってしまう．このレーザ描画装置の利点は，高価なフォトマスクを作る必要がなく，短時間でパターン描画が行えるパターンの試作装置として用いることができることにある．産学連携の機会があれば技術移転を行うことを希望する．大学や研究機関など使用されるようになれば日本の科学技術の発展に寄与できるものと思われる．
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| Strategy for Future Research Activity |
１）磁気光学ナノ構造体の磁気光学応答： H26年度に得られた結果から，本研究の推進にあたりFDTDシミュレーションの有効性が明らかになった．しかし，実験結果と完全に一致するわけではないため，その違いについてエリプソメータおよび磁気光学効果測定装置による誘電率テンソルを求めて違いについての検討を行うことにする．また長方配列したAuナノ粒子との構造体について光学および磁気光学応答について研究を行う．この構造では偏光の角度依存性があると予想され，角度を変えることで磁気光学効果が増大する波長を変化させることができる．この目的に適した構造をシミュレーションにより求めて作製する．
２）近接場光学顕微鏡（SNOM）による複合構造体の近接場分布の観察： 我々がこれまでに開発したSNOMを用いて，Auナノ粒子の周辺で発生する近接場を測定し，この試料で起こっている現象について考察を行う．本SNOMは水晶振動子をチューニングフォークとして用い，光ファイバーの開口プローブを使用するものである．しかしAuナノ粒子のサイズが100nm以下であるため，より高い分解能が得られる無開口プローブが使用できるように改造を行う．無開口プローブとして，W線をエッチングし，それにAuあるいはAgを蒸着して用いる．波長板により偏光を回転させ，p偏光とs偏光とを選択して測定を行う．
３）レーザ描画装置の開発と微細パターンの作製： H26年度に開発したレーザ描画装置では，2μm以下の線幅でフォトレジストに描画が行えるようになった．今年度はこの装置により銅などの微細パターンを作製する条件を求める．得られたパターン作製条件を用いて，磁気光学構造体の試作を行う．本装置で作製できるパターンのサイズは数μmであるため，赤外領域を対象とした構造体の作製を行う．この研究においてもFDTD法によるシミュレーションと合わせて研究を行う．
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| Causes of Carryover |
光学測定のための部品の購入が必要であるが，予算が不足していたことと，設計がH26年度内に終わらなかったため，予算をH27年度に持ち越して購入する．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
以下が持越した予算を加えて購入する予定の物品である．
バビネソレイユ補償板 SBC-VIS（ソーラボ）424,050円
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