2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26706020
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
岩長 祐伸 独立行政法人物質・材料研究機構, 先端フォトニクス材料ユニット, 主任研究員 (20361066)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 増強光工学 / メタ表面 / プラズモニクス / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
プラズモニック・メタ表面（人工ナノ構造表面）において実現される共鳴的な電磁場（光波）を活用して、物質内の電子遷移過程を人工的に促進する増強光（ひかり）工学の開拓と確立を最終的・将来的な目的として本研究を遂行してきた。
平成２６年度においては、新規なメタ表面構造として、プラズモン共鳴とフォトニック導波路モードが混合（ハイブリダイゼーション）して生じるプラズモ・フォトニックメタ表面のハイブリッド共鳴状態の研究を中心的に実施してきた。
具体的には、ハイブリッド共鳴自体の特性を解明する詳細な電磁場解析を行い、プラズモ・フォトニック共鳴を系統的に解明した。プラズモン共鳴と大きな状態密度をもつフォトニック導波路モードの混合状態は先行例のない研究対象で今回初めて解明に成功した (Nano Lett. 2015)。
また、このプラズモ・フォトニック共鳴状態を活用して、蛍光有機分子の蛍光増強実験を実施した。プラズモン共鳴による蛍光増強はこれまでに多数の研究報告例があるが、それらと比較しても顕著な蛍光増強効果を実験的に見出した。極微量の蛍光分子が互いに離散的に分散する濃度でメタ表面上に配置された条件下で、汎用的な平坦シリコン基板と比べて、４５０倍を超える蛍光増強を観測した。この蛍光増強効果は均一性が高く、いわゆるホットスポット利用の従来の蛍光増強に欠けていた均一性、データの再現性が高い (J. Nanomater. 2015)。このほか、シリコンフォトニック結晶スラブにおいても、２００倍を超える蛍光増強を観測し、実用に資する有望なメタ表面構造を複数発見できた (Appl. Phys. Lett. 2015)。なお、プラズモ・フォトニックメタ表面などはナノインプリント法を用いて高精度かつ高速に作製する工程も確立した (J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 2014)。
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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
増強光工学を開拓するうえで特徴ある新規メタ表面構造の開発は必須であるが、平成２６年度においてはプラズモ・フォトニックメタ表面を見出すことができた。
プラズモ・フォトニックメタ表面を蛍光増強に活用して、顕著な蛍光増強効果を観測できたため、増強光工学の明示的な成功例を１つ示すことができた。ナノインプリント法の活用によるメタ表面の大量作製を可能にした点も本研究の手法を展開するうえで重要であると考えている。
また、構造としては既知であったが、顕著は蛍光増強特性のあるメタ表面の１つとしてシリコンフォトニック結晶スラブを再発見できたことも達成度を高めたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
蛍光増強効果を素過程としてみれば、観測できたのは電子双極子遷移の増強であった。現実の物質内では蛍光に寄与する電子双極子遷移よりも非輻射遷移のほうがほとんどの場合支配的である。したがって、非輻射遷移の原因となる電子遷移過程を抑制する人工的なメタ表面の改質がつぎの重要なステップであり、平成２７年度にはその具体化を進めたいと考えている。
人工的に増強することが期待されている電子遷移過程は多数ある。蛍光を生じる電子双極子過程のほかに電子励起状態から電子と正孔が分離することによって生じる光触媒や光学非線形過程などがそれらの例として挙げられる。増強光工学としての展開に多様性も重要であるから、電子双極子遷移以外の電子過程にも研究を進めていく方針である。
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| Causes of Carryover |
次年度に人件費発生が見込まれることから、その手当と当該人員の研究遂行における配分を研究全期間を通して総合的に考慮した結果、約２００万円を次年度に執行することが最適と判断したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度に新たに雇用する人員の研究遂行のための物品費に次年度使用額を充て、翌年度分の研究費からは人件費を手当し、そのほかは当初計画に沿って執行する計画である。
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