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金属ナノ粒子装荷型グラフェンメタマテリアルにおける2次元プラズモンの動的制御(国際共同研究強化)

研究課題

研究課題/領域番号 15KK0237
研究種目

国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)

配分区分基金
研究分野 ナノマイクロシステム
研究機関岡山大学

研究代表者

石川 篤  岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (90585994)

研究期間 (年度) 2016 – 2017
研究課題ステータス 中途終了 (2017年度)
配分額 *注記
14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)
キーワードメタマテリアル / 2次元原子薄膜材料 / プラズモン / 金属ナノ構造 / 表面増強赤外分光 / 赤外光 / マイクロ・ナノデバイス / 複合材料・物性
研究実績の概要

2次元プラズモンの動的制御に基づくチューナブルメタマテリアルについて、1)原子薄膜-金属ナノ構造からなる複合材料の作製と評価、2)機械学習を用いた光学応答予測および3)高感度な表面増強赤外分光法への応用に取り組んだ。1)についてはまず、SiO2酸化膜を有するSi基板上に成膜したグラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイド原子薄膜の層数決定法を検証した。具体的には、酸化膜とグラフェン、MOS2、MOSe2、WS2およびWSe2が作り出す薄膜干渉をモデル化し、その光コントラストが最大となる観察波長と酸化膜厚みの関係を理論的に明らかにした。次に、酸化膜を有するSi基板上に成膜したグラフェンに金属ナノ粒子を分散・担持した複合材料を作製し、その反射スペクトルを評価した結果、プラズモン共鳴に起因する特徴的な可視光吸収の観測に成功した。2)については、このようなメタマテリアルを微小なプラズモン要素の集合体として扱い、その光学応答を機械学習により予測する手法を開発した。具体的には、3次元有限要素法解析により得られた様々な構造パターンのメタマテリアル応答を、教師データとして畳み込みニューラルネットワークに学習させたのち、新規なメタマテリアル構造の応答予測を行なった。その結果、学習条件に応じたスペクトル予測に成功し、所望のスペクトルを示すメタマテリアル構造の自動設計に向けた有用な知見を得た。3)については、メタマテリアル内のプラズモン干渉を制御することで、高密度な四重極子モードや超カイラル場を示す新規なメタマテリアル構造を開発した。前者については、C=O官能基を含む有機分子ナノ薄膜を用いた表面増強赤外分光におけるゼプトモルレベルの検出感度を達成し、その有用性を示した。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 7件、 招待講演 6件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] カリフォルニア大学バークレー校(米国)2017

    • 年月日
      2017-03-01
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] Robust plasmonic hot-spots in a metamaterial lattice for enhanced sensitivity of infrared molecular detection2017

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Atsushi、Hara Shuhei、Tanaka Takuo、Zhang Xiang、Tsuruta Kenji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 111 号: 24 ページ: 243106-243106

    • DOI

      10.1063/1.5004703

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Selective electroless plating of 3D-printed plastic structures for three-dimensional microwave metamaterials2017

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Atsushi、Kato Taiki、Takeyasu Nobuyuki、Fujimori Kazuhiro、Tsuruta Kenji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 111 号: 18 ページ: 183102-183102

    • DOI

      10.1063/1.4986203

    • NAID

      120006380498

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cross-Polarized Surface-Enhanced Infrared Spectroscopy by Fano-Resonant Asymmetric Metamaterials2017

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Atsushi、Hara Shuhei、Tanaka Takuo、Hayashi Yasuhiko、Tsuruta Kenji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 7 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-017-03545-8

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 温暖湿潤気候における日中放射冷却デバイスの性能限界2017

    • 著者名/発表者名
      須一貴啓, 石川篤, 林靖彦, 鶴田健二
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] EITメタマテリアル格子と有機分子との共鳴結合を用いた高感度赤外吸収分光2017

    • 著者名/発表者名
      原修平, 石川篤, 田中拓男, X. Zhang, 鶴田健二
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Cross-polarized surface-enhanced infrared spectroscopy by asymmetric metamaterials2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa, S. Hara, T. Iida, T. Tanaka, Y. Hayashi, and K. Tsuruta
    • 学会等名
      The 4th Intl. Symposium on Microwave/Terahertz Science and Applications (MTSA 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 赤外デジタルメタマテリアルの計算機による自動設計と作製2017

    • 著者名/発表者名
      杉野有哉,石川篤,林靖彦,鶴田健二
    • 学会等名
      日本機械学会第30回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Structure optimization of metallodielectric multilayer for high-efficiency daytime radiative cooling2017

    • 著者名/発表者名
      T. Suichi, A. Ishikawa, Y. Hayashi, and K. Tsuruta
    • 学会等名
      SPIE Optics & Photonics 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Automated design of infrared digital metamaterials by genetic algorithm2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Sugino, A. Ishikawa, Y. Hayashi, and K. Tsuruta
    • 学会等名
      SPIE Optics & Photonics 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Automated design of infrared digital metamaterials by Monte Carlo algorithm2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa, Y. Sugino, Y. Hayashi, and K. Tsuruta
    • 学会等名
      The 8th Int’l Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP 8)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 遺伝的アルゴリズムを用いて自動設計した赤外デジタルメタマテリアル2017

    • 著者名/発表者名
      杉野有哉,石川篤,林靖彦,鶴田健二
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県・横浜市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] ファノ共鳴非対称メタマテリアルを用いた表面増強赤外分子検出2016

    • 著者名/発表者名
      原修平, 石川篤, 田中拓男, 林靖彦, 鶴田健二
    • 学会等名
      第18回IEEE広島支部学生シンポジウム
    • 発表場所
      山口大学(山口県・宇部市)
    • 年月日
      2016-11-19
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Infrared metamaterials for high-sensitive surface-enhanced molecular detection2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa
    • 学会等名
      URSI Asia-Pacific Radio Science Conference 2016
    • 発表場所
      グランドヒルトンソウル(韓国・ソウル市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Controlled Fano resonances via symmetry breaking in metamaterials for high-sensitive infrared spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      S. Hara, A. Ishikawa, T. Tanaka, Y. Hayashi, and K. Tsuruta
    • 学会等名
      SPIE Optics & Photonics 2016
    • 発表場所
      サンディエゴコンベンションセンター(米国・サンディエゴ市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlled Fano resonances in asymmetric metamaterials for high-sensitive surface-enhanced infrared absorption2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa, S. Hara, T. Tanaka, Y. Hayashi, and K. Tsuruta
    • 学会等名
      The 14th Int’l Conference on Near-Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques (NFO-14)
    • 発表場所
      アクトシティ浜松(静岡県・浜松市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmonic metamaterials for surface-enhanced infrared molecular detection2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa
    • 学会等名
      The 77th Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting, JSAP-OSA Joint Symposia
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県・新潟市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmonic metamaterials for surface-enhanced infrared absorption spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa
    • 学会等名
      IEICE Society Conference 2016
    • 発表場所
      北海道大学(北海道・札幌市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 光メタマテリアルの開発と赤外吸収分光法への応用2016

    • 著者名/発表者名
      石川篤
    • 学会等名
      平成28年度多元技術融合光プロセス研究会・第4回研究交流会
    • 発表場所
      岡山大学(岡山県・岡山市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Infrared metamaterials for surface-enhanced molecular detection2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa
    • 学会等名
      The 1st RIKEN-nCOMs Joint Symposium & RIKEN Metamaterials Symposium 2016
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県・和光市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metamaterial-enhanced IR absorption for high-sensitive molecular detection2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ishikawa
    • 学会等名
      2016 Nanophotonics Core to Core Workshop
    • 発表場所
      アカデミアシニカ(台湾・台北市)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      http://www.ec.okayama-u.ac.jp/~mdd/

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [備考] 研究者webページ

    • URL

      http://www.ec.okayama-u.ac.jp/~mdd/ishikawa/

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [備考] 所属研究機関webページ

    • URL

      http://soran.cc.okayama-u.ac.jp/view?l=ja&u=578916f7a015498474506e4da22f6611

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2016-10-04   更新日: 2018-12-17  

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