| 研究課題/領域番号 |
23H00274
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分30:応用物理工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
高原 淳一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (90273606)
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| 研究分担者 |
藤方 潤一 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (00869159)
古部 昭広 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (30357933)
岩崎 拓哉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主任研究員 (50814274)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2026年度)
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| 配分額 *注記 |
46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)
2026年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
2025年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
2024年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
2023年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
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| キーワード | メタサーフェス / メタマテリアル / グラフェン / 完全吸収体 / ミー共振 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
グラフェンは高い移動度、透明で柔軟性・環境安定性にも優れ、波長に依存しない吸収係数と高速の緩和時間を併せ持ち、光エレクトロニクス応用も期待される。しかし、単層グラフェンの光吸収率は2.3%であり、光との相互作用が小さいことが問題である。
本研究は単層グラフェンにシリコン誘電体ミー共振器を近接させ、放射損失の小さなトロイダルダイポールの縮退臨界結合を利用して光とグラフェンとの相互作用を増強することにより、過飽和吸収などの非線形光学効果を増強することを目的とする。さらにこれを超高速かつ低消費エネルギーの光・光スイッチング素子に応用する。これにより縦型グラフェンフォトニクスへの道を拓く。
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| 研究実績の概要 |
単層グラフェンは電子デバイスだけでなく光デバイスとしての応用が期待される。しかし、単層グラフェンと光との相互作用は弱く、光吸収率は2.3%にとどまる。本研究では単層グラフェンの光吸収率をミー共振器アレイを用いて増強させるため、シリコン（Si）のホイヘンスメタサーフェス（HMS）・単層グラフェンのハイブリッド型素子を作製した。その結果、以下の結果を得た。
１）市販の単層CVDグラフェンを用いて水中で素子に転写を行い、上記のメタサーフェスを含むHMS素子の全面にCVDグラフェンを転写することに成功した。転写の後、顕微ラマン散乱分光スペクトルによりメタサーフェス上に担持されたグラフェンが単層であることを確認した。
２）HMS上にのせる２次元ナノ材料を単原子層の遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）に変えた系の光学特性を理論的に求めた。硫化タングステン（WS2）の場合では、エキシトンとミー共振器中の電気双極子とのコヒーレント結合により、非交差バンド形成とエキシトン吸収の増大がおきることがわかった。特にHMSの電気・磁気双極子の縮退状態を利用すると増大は20倍にもおよぶ。単原子層TMDC中のエキシトンは、遮蔽効果が少なく大きなエキシトン結合エネルギーをもつことから、メタサーフェスとの結合により光デバイスへの応用が期待できる。
３）上記の素子に用いる中空型直方体Siミー共振器のアレイ構造のセンシング応用について理論的な研究を行った。トロイダル磁気双極子のもつ高い光閉じ込め効果（共振線幅0.35nm）を用いることにより、感度486(nmRIU-1)、FOM=1389(RIU-1)を実現できることがわかった。これは先行研究の中でも最も高感度であるファノ共鳴の性能を上回るものである。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
3: やや遅れている
理由
スコッチテープによるピーリングによりグラファイトから単層グラフェンフレークを剥離する方法では、20マイクロメートル角以上の面積をもつフレークの生成確率が低く、メタサーフェス領域の全体を覆い分光計測の可能な素子を作製することが困難であった。その結果、単層グラフェンとシリコンメタサーフェスの結合素子の完全吸収体の実証が遅れているので、進捗状況はやや遅れているといえる。
そこで上記の当初計画してきたプランと並行して、市販のCVD単層グラフェンを水中で素子に転写する方法を試みた。その結果、素子全体をCVDグラフェンで覆うことに成功した。
本研究の過程でおきた予期せぬ新しい発見として、六方晶系窒化ホウ素（hexagonal Boron Nitride: hBN）によりサンドイッチされた単層グラフェンにおいて、波長1550nmの光照射による光起電力の測定に成功したことがあげられる。さらに我々は、本光起電力の原因が光熱起電力効果によることをつきとめた（T. Iwasakiら, JJAP 63(3), 030903, 2024）。現在、超高速分光測定によりhBN/金属界面における光照射によるキャリア生成と緩和の素過程の解明を行っている。
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| 今後の研究の推進方策 |
シリコンメタサーフェス上に単層グラフェンを担持することに成功しているものの、まだグラフェンとミー共振器間の結合効果の確認には至っていない。これはグラフェンフレークのサイズがメタサーフェス領域の面積に対して小さく、全面を覆うことが難しいためである。今後は市販のCVD単層グラフェン膜を用いて素子を作製し、グラフェンとの相互作用の計測を試みる。
今後の新しい方向性として、新たに見出したhBN/単層グラフェンにおける光熱起電力効果のメタサーフェスによる増大などを試みる予定である。
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