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Broadband perfect infrared absorbers using three-dimensional metamaterials

Research Project

Project/Area Number 18H03889
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

田中 拓男  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (40283733)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥44,980,000 (Direct Cost: ¥34,600,000、Indirect Cost: ¥10,380,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2019: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2018: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Keywordsメタマテリアル / 赤外光 / 完全吸収体 / 3次元構造 / ナノ加工 / 3次元構造 / 光吸収体 / 赤外分光 / 円錐螺旋構造 / 機械学習 / 三次元構造
Outline of Annual Research Achievements

3次元Metal-insulator-metal(MIM)メタマテリアルを試作するための独自の加工技術の開発を行った.開発した手法では,高速電子ビームリソグラフィ装置や電子ビーム真空蒸着装置,反応性イオンエッチング装置を利用してシリコン表面へのナノ凹凸構造の形成と,その側壁への金属薄膜の形成,さらに上部と下部の金属膜の選択的なエッチングを繰り返し行う事で,2枚の金属ナノフィンがナノメートルスケールのギャップを隔ててシリコン基板表面に垂直に高密度に集積化された3次元Metal-insulator-metal(MIM)構造の試作に成功した.特に金属薄膜の形成ならびにエッチングプロセスの手順と実験パラメータを最適化することで,高い加工精度と再現性が得られる条件を確定することができた.試作した3次元MIMメタマテリアルの光学特性を既設のフーリエ変換型分光器で測定し,設計通りの赤外波長領域に強い光吸収特性が表れることを確認した.また,3次元円錐螺旋構造を持つ金属メタマテリアル構造が広い波長帯域の光吸収特性を持つことを新たに見いだし,有限要素法を用いてその構造の最適化を開始した.3次元円錐螺旋構造は,金属線の巻き数や線幅,縦横方向のピッチ,半径,高さなど多くの構造パラメータがあるため,それらを網羅的に調べる事は計算機シミュレーションでも実験的にも不可能である.そこで,有限個数の構造パラメータを選択してその光吸収スペクトルとの関係を求め,それを教師データとして機械学習手法によって,要求される光吸収特性を示す円錐螺旋メタマテリアル構造を求める手法の研究を平行して開始した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

3次元MIMメタマテリアルを作製するために必要となる独自の加工技術の開発は概ね完了し,必要となるメタマテリアル構造を試作できるようになった.また,これまでに構築した電磁界シミュレーション環境も問題なく機能しており,昨年度は計算機の増強も行った.加えて,新たに3次元円錐螺旋構造を持つメタマテリアルが広い波長帯域の光を効率良く吸収するという新たな知見を見いだすことができたので,これを足がかりに本研究の目的となる広帯域・高効率赤外吸収体の試作とその特性評価に取りかかっている.3次元円錐螺旋構造メタマテリアルの構造設計については,機械学習技術の導入にも挑戦し,良好な感触を得ている.この研究も継続して進めると共に,実験を通して目的とする特性を持つ構造の実現とその有効性の実証を行っている.

Strategy for Future Research Activity

開発した3次元ナノ加工技術と電磁界シミュレーション環境を最大限に活用して,広帯域・高効率赤外吸収メタマテリアルの構造設計と試作を続け,目的とする特性を持つデバイスの実現とその有効性の実証を行う.新型コロナならびに半導体不足の影響で,実験に必要な部材の調達に遅れが出ていたが,この状況も改善されつつある.次年度はこれまでに設計したメタマテリアル構造を1つ1つ試作し,その特性評価を通して目的とするデバイスの実現を目指す.

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(12 results)

All 2021 2019 2018

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Plasmon-Enhanced Solar-Driven Hydrogen Evolution Using Titanium Nitride Metasurface Broadband Absorbers2021

    • Author(s)
      Meng-Ju Yu, Chih-Li Chang, Hao-Yu Lan, Zong-Yi Chiao, Yu-Chia Chen, Ho Wai Howard Lee, Yia-Chung Chang, Shu-Wei Chang, Takuo Tanaka, Vincent Tung, Ho-Hsiu Chou, and Yu-Jung Lu
    • Journal Title

      ACS Photonics

      Volume: 18 Pages: 3125-3132

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.1c00927

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets2021

    • Author(s)
      Wooik Jung, Yoon-Ho Jung, Peter V. Pikhitsa, Jicheng Feng, Younghwan Yang, Minkyung Kim, Hao-Yuan Tsai, Takuo Tanaka, Jooyeon Shin, Kwang-Yeong Kim, Hoseop Choi, Junsuk Rho, and Mansoo Choi
    • Journal Title

      nature

      Volume: 592 Pages: 54-59

    • DOI

      10.1038/s41586-021-03353-1

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 3D Conical Helix Metamaterial based Isotropic Broadband Perfect Light Absorber2019

    • Author(s)
      Renilkumar Mudachathi and Takuo Tanaka
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 27 Pages: 26369-26375

    • DOI

      10.1364/oe.27.026369

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Strengthen of magnetic anisotropy of Au/Co/Au nanostructure by surface plasmon resonance2019

    • Author(s)
      Yusuke Kikuchi and Takuo Tanaka
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 8630-8630

    • DOI

      10.1038/s41598-019-45122-1

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Controlling coulomb interactions in infrared stereometamaterials for unity light absorption2018

    • Author(s)
      Mudachathi Renilkumar、Moritake Yuto、Tanaka Takuo
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 112 Pages: 201107-201107

    • DOI

      10.1063/1.5020850

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Metamaterials-Enhanced Infrared Spectroscopic Study of Nanoconfined Molecules by Plasmonics?Nanofluidics Hydrid Device2018

    • Author(s)
      Le Thu H. H.、Morita Akihiro、Mawatari Kazuma、Kitamori Takehiko、Tanaka Takuo
    • Journal Title

      ACS Photonics

      Volume: 5 Pages: 3179-3188

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.8b00398

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Bolometric photodetection using plasmon-assisted resistivity change in vanadium dioxide2018

    • Author(s)
      Hironobu Takeya, James Frame, Takuo Tanaka, Yoshiro Urade, Xu Fang, and Wakana Kubo
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 8 Pages: 12764-12764

    • DOI

      10.1038/s41598-018-30944-2

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] メタマテリアル吸収体と高感度分光技術2021

    • Author(s)
      田中拓男
    • Organizer
      分子科学研究所 先端光科学研究分野勉強会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Optical metamaterial absorber and its application for spectroscopy2021

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      International Conference on Nano-photonics and Nano-optoelectronics (ICNN2021)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Metamaterial enhanced ultrasensitive vibrational spectroscopy techniques2021

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      SPIE Optics+Photonics 2021
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optical metamaterial absorber and its application for ultrasensitive spectroscopy2021

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      The 10th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN 2021)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ultrasensitive IR spectroscopy inspired by metamaterials2021

    • Author(s)
      Takuo Tanaka
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (PacifiChem 2021)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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