| 研究課題/領域番号 |
16K13648
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
金森 義明 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10333858)
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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 | メタマテリアル / マイクロ・ナノデバイス / MEMS |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、機械的に構造変形する量子干渉型メタマテリアルの構造変形を伝達関数とし、入力を外力、出力を局在フォトンモードとする物理量トランスデューサを構築し、各物理量に適した伝達関数の設計や応答特性を明らかにする。超高感度計測や超小型光処理技術の実現を目指す。本年度は、デバイスの光学設計、機械設計、デバイスの試作、プロセスの条件出しを行った。デバイスの光学設計はMaxwell方程式の厳密解を求めるRigorous coupled-wave analysis法による数値計算手法を用いた。その結果、石英基板上のメタマテリアル、空隙、石英製自立膜に形成されたAu薄膜で構成されるデバイスを設計することができた。本デバイス構成では、任意のメタマテリアルパターンをデバイスに埋め込むことができるため、今後の再設計で得られるより高性能なメタマテリアルにデザインを変更したり、応用に合わせて最適なメタマテリアルパターンを選定することが可能であり、汎用性をもたせた。数値計算により、空隙変化に伴うメタマテリアルの光学スペクトル変化の関係を算出した。メタマテリアルの共振波長付近において透過・反射スペクトルが鋭く変化するため、共振波長付近の光学スペクトルに注目し、空隙変化と共振波長変化の関係を定量的に求めた。数値計算により、空隙変化に伴う共振波長の変化が大きなメタマテリアルの構造を設計した。機械設計を行い、石英製自立膜にかかる荷重と空隙間距離の変化の関係を材料力学を用いて算出した。プロセスの条件出しを兼ねてデバイスの試作を行った。最後までプロセスを通すことで各工程における加工の条件出しを行った。
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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
Maxwell方程式の厳密解を求めるRigorous coupled-wave analysis法による数値計算を用いて、デバイスの設計を行った。石英基板上のメタマテリアル、空隙、石英製自立膜に形成されたAu薄膜で構成され、石英製自立膜に力がかかることで、メタマテリアルとAu薄膜との空隙間距離が変化し、それに伴う反射スペクトルの変化を数値計算で求めることができた。また、空隙間距離の変化に対して、よりスペクトル変化の大きなメタマテリアル構造を探索し、従来のファブリー・ペロフィルタよりも大きなスペクトル変化量を得ることができた。また、石英製自立膜のたわみと荷重の関係を算出するための力学設計を行った。以上より、本年度の計画であるデバイスの光学設計および機械設計はおおむね順調に進展していると言える。また、プロセスの条件出しを兼ねてデバイスの試作を行った。空隙間距離が目標より大きな値となってしまい改善が必要であるが、プロセスを最後まで通すことで、各工程における加工の条件出しを行うことができた。以上より、本年度の計画であるプロセス条件だしもおおむね順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度に行ったデバイス設計を基にデバイスを試作する。同時進行で光学設計を見直し、より高感度特性が得られるメタマテリアル構造および機械構造の検討を行い、良い設計が得られたら随時デバイス試作に反映する。なお、デバイスの設計よりも試作を重視して進める。各プロセスの条件出しをさらに詰める。デバイスの評価システムを構築し、外部物理量の入力とデバイスの光学応答の出力の関係を精度良く評価することを目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
デバイス製作に於いて完成度を高めるために繰り返し製作を行う必要があるが、想定よりも製作繰り返し回数が少なかったため製作に関わる実支出が少なかった。また、測定評価を簡易的に行ったため、測定評価システム構築のための実支出が少なかった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
当初の次年度使用計画に加えて、デバイス製作に関わる消耗品費として使用する。また、高精度にデバイス特性を評価するための測定評価システムを構築するために使用する。
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