メタ表面実装光ファイバが切り拓く測定場所を選ばない革新的超精密ナノセンシング

• 研究課題/領域番号: 16H04342
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 金森 義明 東北大学, 工学研究科, 教授 (10333858)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2016年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
• キーワード: 光デバイス / マイクロ・ナノデバイス / メタマテリアル

研究成果の概要

本研究では、ナノインプリント技術で光ファイバ先端に平面型メタマテリアル（メタ表面）を安価かつ高精度に製作し、局所領域のin situ超高感度測定を可能とする革新的超精密ナノセンサの実現を目指した。その結果、光ファイバ先端専用光ナノインプリント装置の構築、石英モールドの製作技術の確立に成功した。また、光ナノインプリントによる光ファイバ端面上のメタマテリアル製作条件を探索し、光ファイバ端面上に屈折率センサおよびワイヤグリッド偏光子を製作することに成功した。更に、石英基板上に偏光無依存メタマテリアルによる屈折率センサを製作し、DNAのラベルフリー検出に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ナノインプリント技術を用いて光ファイバ先端にセンサとして機能するメタ表面を製作した例は過去に無く、超精密加工やマイクロマシニングの分野において新たな加工技術となる。また、屈折率センサを用いたDNAのラベルフリー検出技術は、これまで大型装置が必要でコストと時間がかかったがん、糖尿病、感染症診断等の血液検査が、小型・簡便でその場で結果が出るような小型・高性能バイオセンサを実現するコア技術となることが期待され、超高齢社会が進む国内の社会課題を解決する技術として期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] High‐Efficiency Optical Filters Based on Nanophotonics (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori
  • 雑誌名: IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 巻: 16 号: 5 ページ: 662-672
  • DOI: 10.1002/tee.23345
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 偏光無依存メタマテリアルを用いた屈折率センサの製作と化学物質濃度計測及びDNA検出への適用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金森 義明, 清水 友己, 野村 慎一郎, 羽根 一博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） 巻: 139 号: 7 ページ: 163-168
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.139.163
  • NAID: 130007671292
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • 年月日: 2019-07-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of refractive index sensors using polarization independent metamaterial and their application to chemical concentration measurement and DNA detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori, Tomoki Shimizu, Shin-Ichiro Nomura, and Kazuhiro Hane
  • 雑誌名: Electronics and Communications in Japan 巻: 102 号: 10 ページ: 34-40
  • DOI: 10.1002/ecj.12208
  • NAID: 210000179065
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高感度バイオ・ケミカルセンシングを実現するメタマテリアル (2019)
  • 著者名/発表者名: 金森義明
  • 雑誌名: アグリバイオ 巻: 3 ページ: 82-84
  • NAID: 40021975865
• [雑誌論文] メタマテリアルを用いた高感度バイオセンサとDNA検出への適用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金森義明
  • 雑誌名: アグリバイオ 巻: 3 ページ: 44-46
  • NAID: 40022118698
• [雑誌論文] Plasmonic Color Filters Integrated on a Photodiode Array (2018)
  • 著者名/発表者名: Daisuke EMA, Yoshiaki KANAMORI, Hitoshi SAI, and Kazuhiro HANE
  • 雑誌名: Electronics and Communications in Japan 巻: 101 ページ: 95-104
  • NAID: 210000178106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transmissive Plasmonic Color Filters with Built-in Si Photodiodes (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137 ページ: 134-139
  • NAID: 130005631681
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic Spectral Control of Fano Resonance by MEMS Actuated Optical Metamaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuto Moritake, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137 ページ: 357-362
  • NAID: 130006191720
  • 査読あり
• [雑誌論文] 面外配置された非対称型ダブルバーメタマテリアルの製作と光学応答 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大久保 藍, 金森 義明, 羽根 一博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137 ページ: 363-370
  • NAID: 130006191722
  • 査読あり
• [雑誌論文] プラズモニックカラーフィルタ一体型フォトダイオードアレイ (2017)
  • 著者名/発表者名: 江間 大祐, 金森 義明, 齋 均, 羽根 一博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137 ページ: 379-386
  • NAID: 130006191726
  • 査読あり
• [雑誌論文] 偏光無依存メタマテリアルを用いた屈折率センサ (2017)
  • 著者名/発表者名: 清水 友己, 金森 義明, 羽根 一博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137 ページ: 415-416
  • NAID: 130006191802
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transmissive plasmonic color filters with built-in Si photodiodes (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137
  • NAID: 130005631681
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 偏光無依存メタマテリアルを用いた屈折率センサ (2017)
  • 著者名/発表者名: 清水友己, 金森義明, 羽根一博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌E 巻: 137
  • NAID: 130006191802
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Demonstration of sharp multiple Fano resonances in optical metamaterials (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuto Moritake, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 24 号: 9 ページ: 9332-9339
  • DOI: 10.1364/oe.24.009332
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] THz帯におけるメタマテリアル・アブソーバの製作と吸収特性の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井 雄大, 瀧田 佑馬, 金森 義明, 南出 泰亜, 羽根 一博
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） 巻: 136 号: 5 ページ: 172-179
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.136.172
  • NAID: 130005149058
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emission wavelength tuning of fluorescence by fine structural control of optical metamaterials with Fano resonance (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Moritake, Y. Kanamori, and K. Hane
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1038/srep33208
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] メタサーフェースによる光波制御デバイス (2020)
  • 著者名/発表者名: 金森義明
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2020
  • 招待講演
• [学会発表] Miniature spectroscopes with metamaterial filter array (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori
  • 学会等名: The 4th A3 Metamaterials Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Miniature Spectroscopes with Metasurfaced Transmitted Color Filters Integrated on a Photodiode Array (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori, Daisuke Ema, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 小型分光器・高感度バイオセンサを実現する人工光学物質「メタマテリアル」 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金森義明
  • 学会等名: 第64回光波センシング技術研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 偏光無依存メタマテリアルの製作と屈折率センサへの応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 清水 友己、金森 義明、羽根 一博
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Transmissive metamaterial color filters (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori, Daisuke Ema, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Si フォトダイオード上のメタマテリアル・カラーフィルタによる分光デバイス (2017)
  • 著者名/発表者名: 金森 義明、江間 大祐、羽根 一博
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ナノフォトニック構造のMEMS制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 金森義明
  • 学会等名: 平成29年電気学会全国大会
  • 発表場所: 富山大学 五福キャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] Experimental Demonstration of Wavelength-Selective Metamaterial Absorbers in the 1.5 THz Range (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Ishii, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane, Yuma Takida, and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: 11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS2016)
  • 発表場所: Hotel Matsushima Taikanso, Matsushima Bay, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Wavelength-selective Transmission from Plasmonic Nanostructured Arrays in the Visible Region (2016)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Ema, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: 11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS2016)
  • 発表場所: Hotel Matsushima Taikanso, Matsushima Bay, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of transmissive plasmonic color filters with built-in Si photodiodes (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology 2016 (APCOT2016)
  • 発表場所: Kanazawa Bunka Hall, Kanazawa, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Spectral sensitivity control of Si photodiodes by subwavelength structures (2016)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Ema, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: The 1st A3 Metamaterials Forum
  • 発表場所: Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
  • 国際学会
• [学会発表] Movable transparent membranes designed for tunable metamaterials in the optical region (2016)
  • 著者名/発表者名: Ai Okubo, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: The 1st A3 Metamaterials Forum
  • 発表場所: Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
  • 国際学会
• [学会発表] Metamaterial absorbers fabricated on silicon cantilevers (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Ishii, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: The 1st A3 Metamaterials Forum
  • 発表場所: Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
  • 国際学会
• [学会発表] Photovoltaic transmissive color filters based on Metal-Photodiode-Metal metamaterials (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: The 1st A3 Metamaterials Forum
  • 発表場所: Katahira-Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of electromagnetically induced transparency like metamaterials in THz region (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kanamori, K. Nakamura, K. Hane
  • 学会等名: 5th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems ofTerahertz Devices & Technologies (RJUSE TeraTech-2016)
  • 発表場所: Sakura Hall, Katahira Campus, Tohoku University, Sendai
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Fano resonance in Optical Metamaterials (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori
  • 学会等名: 11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS2016)
  • 発表場所: Hotel Matsushima Taikanso, Matsushima Bay, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Planar metamaterials for transmission and absorption control (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori
  • 学会等名: EMN Meeting on Metamaterials
  • 発表場所: Hotel Neptun, Importanne Hotels & Resort, Dubrovnik, Croatia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication of Planar Metamaterials for Transmission and Absorption Control (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Kanamori
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • 招待講演
• [学会発表] Fabrication of transmissive plasmonic color filters with built-in Si photodiodes (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Shimizu, Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, and Kazuhiro Hane
  • 学会等名: 平成28年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会
  • 発表場所: 金沢市文化ホール、金沢
• [学会発表] フォトダイオード一体型誘電体光メタ表面による色度選択光検出 (2016)
  • 著者名/発表者名: 江間大祐、金森義明、羽根一博
  • 学会等名: 第33回センサ・マイクロマシンと応用システムシンポジウム
  • 発表場所: 長崎県、平戸文化センター
• [学会発表] MEMS駆動光メタマテリアルによるファノ共鳴スペクトル制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森竹勇斗、金森義明、羽根一博
  • 学会等名: 電気学会フィジカルセンサ/マイクロマシン・センサシステム合同研究会
  • 発表場所: 国立研究開発法人物質・材料研究機構（千現地区）
• [学会発表] 金属・誘電体・金属構造の非対称型ダブルバーメタマテリアルの製作と光学特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大久保藍、金森義明、羽根一博
  • 学会等名: 電気学会フィジカルセンサ/マイクロマシン・センサシステム合同研究会
  • 発表場所: 国立研究開発法人物質・材料研究機構（千現地区）
• [図書] インスツルメンテーションの視点からみたバイオミメティクス:第3編第7章 構造色の制御技術とその工学分野への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 金森義明
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: 株式会社シーエムシー・リサーチ
• [備考] 金森・岡谷研究室
  • URL: https://web.tohoku.ac.jp/kanamori/index.html