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エバネッセント場による光分子ブレーキと光吸収メタマテリアルを用いた高感度振動分光

公募研究

研究領域光圧によるナノ物質操作と秩序の創生
研究課題/領域番号 17H05471
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2018年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2017年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
キーワードメタマテリアル / プラズモン / 光放射圧 / ナノ流路 / 赤外分光 / 赤外スペクトル / 光導波路 / エバネッセント場 / ナノ流路デバイス / 光計測 / 振動分光法
研究実績の概要

本研究では,メタマテリアルを装荷したナノ流路に光導波をハイブリッド化させたデバイスを作り,流路を流れるナノ微粒子や分子を光放射圧でブレーキをかけて移動速度を低下させ,メタマテリアルが作り出すホットスポットとの相互作用を高める事で,分子検出感度の高感度化,高S/N化を目指す研究を行った.そして,ゼプトモルレベルの希薄な検体分子の赤外スペクトルを順次取得することで,どんな分子が存在するかを高速かつ高感度に検出・同定できるデバイスのプロトタイプの構築を目指した.
光導波路を伝播する光の密度を向上させるため,メタマテリアル-流路ハイブリッド構造にさらにチャネル型光導波路を組み込んだデバイスを設計・作製した.チャネル型導波路は,ガラス基板にマイクロ流路を形成した後,FIB法でナノ流路を加工すると同時にナノ流路の表面の屈折率をイオン交換法で高める事で光導波路のチャネルコアを形成した.その後,ナノ流路ならびに導波路チャネル表面に金薄膜をスパッタリグして,金属薄膜の下にチャネル型導波路が埋没された構造を得た.試作したデバイスを用いて赤外分子スペクトルの測定実験を行い,従来のデバイスと比較して1~2桁程度の検出感度の向上を実験的に確認した.
またメタマテリアルを構成するMIM構造のInsulator部をナノメートルスケールのギャップ層にした共振素子をさらに基板表面に垂直に配向させた新しいセンサー構造の加工法を開発した.このデバイスでは,MIM構造を垂直に配向させることでその集積密度を向上させることに成功し,結果として液体よりも分子密度の低い気体の赤外スペクトルを検出することに成功した.

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Metamaterials-Enhanced Infrared Spectroscopic Study of Nanoconfined Molecules by Plasmonics?Nanofluidics Hydrid Device2018

    • 著者名/発表者名
      Le Thu H. H.、Morita Akihiro、Mawatari Kazuma、Kitamori Takehiko、Tanaka Takuo
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 5 号: 8 ページ: 3179-3188

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.8b00398

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Plasmonics Nanofluidics Hybrid Metamaterial: An Ultra-Sensitive Platform for Infrared Absorption Spectroscopy and Quantitative Measurement of Molecules2017

    • 著者名/発表者名
      Thu H. H Le and Takuo Tanaka
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 11 号: 10 ページ: 9780-9788

    • DOI

      10.1021/acsnano.7b02743

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Metamaterial absorbers for molecule sensor2018

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka
    • 学会等名
      The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metamaterial Absorbers in IR and Visible regions2018

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka
    • 学会等名
      Collaborative Conference on Materials Research 2018 (CCMR2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metamaterial infrared absorber with nanofluidic channel for ultrasensitive molecular detection2018

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka
    • 学会等名
      SPIE Optics and Photonics 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Absorption band engineering by metamaterials2017

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanaka
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META'17)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmonics-nanofluidics hybrid metamaterial absorbers: Fabrication and applications in infrared absorption spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Thu H. H. Le and Takuo Tanaka
    • 学会等名
      The 21st International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2019-12-27  

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