| 研究課題/領域番号 |
16K04979
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
林 真至 神戸大学, 工学研究科, 名誉教授 (50107348)
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| 研究分担者 |
藤井 稔 神戸大学, 工学研究科, 教授 (00273798)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | Fano共鳴 / 多層膜構造 / 表面プラズモン / 導波路モード / 増強電場 / 蛍光増強 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、主として１）金属-無機多層膜構造でのFano共鳴の線幅の先鋭化、２）Fano共鳴に伴う増強電場を利用した蛍光増強の観測、また３）金属を含まない全誘電体多層膜でのFano共鳴の実現について研究を実施し、以下のような成果を得た。
１）Fano共鳴線幅の先鋭化：昨年度までの研究をさらに発展させ、SF11/Al/SiO2/Al2O3/Airの多層膜系ATR配置でのFano共鳴の線幅を系統的に制御し、高いQ値を持つ鋭いFano共鳴線を出現させることに成功した。実際、スペーサーSiO2膜の膜厚を変化させることにより、表面プラズモンと導波路モードの結合の強さを変化させることが可能で、結合定数が小さくなるとともに共鳴線が狭くなることを実験的に示し、1500を上回るQ値を実現することができた。この高いQ値は、現在までにプラズモン励起を用いたFano共鳴では、最高である。
２）Fano共鳴に伴う蛍光増強：上記１）の応用として、多層膜構造に蛍光色素DCM膜を導入し、SF11/Al/SiO2/Al2O3/DCM/Air 構造を作製し、SF11側から励起光を入射し、Air側に放射されるDCMからの蛍光の強度を測定した。その結果、Fano共鳴の条件下で、強い蛍光が観測された。ガラス板上のDCM膜の蛍光強度と比較したところ、最大で10倍程度の増強度が見積もられた。これは、Fano共鳴に伴う増強電場を応用した蛍光増強の、世界初の観測である。
３）All-dielectric 多層膜系でのFano共鳴の実現と制御：金属層を用いず、２つの誘電体3層構造の導波路モードの結合によりFano共鳴を実現し、スペクトル形状を制御することに成功した。この新しい構造では、表面プラズモン励起よりも大幅にFano形状を変化させることができることを実証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の目的は、きわめて鋭いFano共鳴を実現すること及びそれを光学センサーや表面増強分光に応用することである。鋭いFano共鳴の実現に関しては、すでに世界最高のQ値1500を既に実証しており、当初の目的はほぼ達成されたと言える。応用に関しては、既に色素膜からの蛍光増強の観測に初めて成功しており、さらに研究を継続することにより、より高い増強度の実現、あるいは蛍光スペクトルに現れるFano共鳴の観測へと発展が見込まれる。金属を使わないAll-dielectric多層膜でのFano共鳴の観測にも成功しており、当初の予定よりは広い範囲でのFano共鳴の応用の可能性が出てきている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度の研究成果を踏まえて、以下の方策により研究を推進する。
１．鋭いFano共鳴の蛍光分光への応用：応用の方向性として２つ取り上げる。1つ目は、蛍光強度の増強にFano共鳴を用いること、2つ目は、蛍光スペクトルにFano共鳴を生じさせ、特異な性質を持つ光源を実現することである。現在まで研究してきた多層膜構造は、必ずしも蛍光増強を達成するために最適化したものではない。まずは、電磁気学的シミュレーションにより、蛍光増強の増強度を上げるための最適構造を決定する。その結果に基づき、実際に多層膜構造を作製し、蛍光測定を行い、実験的に蛍光の増強度を見積もる。また、蛍光スペクトル上にFano共鳴を発現させるため、それに適した試料構造を、やはり電磁気学的シミュレーションにより、決定する。その結果に基づき、蛍光スペクトル上にFano共鳴を出現させ、また構造パラメーターのコントロールにより共鳴線形状をコントロールする。
２．Fano共鳴発現の統一理論の構築と研究の総括：現在までの研究で、金属、誘電体膜の様々な組み合わせで、Fano共鳴が発現することが分かってきている。ただ、現在は、それぞれの系に別々の理論をあてはめ、実験結果を解釈するのにとどまっているが、多層膜系でのFano共鳴を統一的に扱える理論的枠組みを構築する。更に、本年度は本研究課題の最終年度であるところから、現在までの成果を総括し、最終的な結論を得る。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究初年度の平成28年度に簡易型真空蒸着装置の購入を予定していたが、既設の真空蒸着装置を整備することにより、より高度な試料作製が可能であることが判明し、購入の必要性が無くなった。また、平成29年度も特に高額部品の購入を必要とせず、研究が遂行できたため、次年度使用額が生じた。平成30年度は、本課題研究の最終年度であることから、成果発表のための国際会議出席のための費用も含めて、試料作製、光学測定のための消耗品購入の費用とする。
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