| 研究課題/領域番号 |
17K19035
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
鶴田 健二 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (00304329)
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| 研究分担者 |
石川 篤 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (90585994) [辞退]
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| キーワード | 音響ダイオード / フォノニック結晶 / 音響導波路 / 表面弾性波 / 圧電デバイス / 光学可視化法 |
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| 研究実績の概要 |
（Ａ）ヘテロ周期構造による音響ダイオードの設計：これまで我々が設計した圧電体/樹脂の周期構造による１次元（２端子型）音響ダイオードは可聴域での透過損失が大きいという問題があった。本年度はまず，所望の整流特性が得られ，かつ透過損失の小さいヘテロ周期構造を様々な周波数帯で検討した。具体的には，ヘテロ構造の境界領域にインピーダンス整合をとるための遷移領域を設定し，その間を線形につなぐ新たなフォノニック構造を数値的に導出した。
（Ｂ）間接バンド間遷移に基づく非相反音響導波路：間接バンド間遷移を用いた導波路の数値設計と最適構造・材料の探索を行っている。この原理に基づく音波の非相反性は，すでに数値シミュレーションによってその可能性を示しており，本年度，この構造を可聴域～超音波領域にかけて実現する材料・構造の設計を行うために必要な，導波路中の変調領域の長さ・変調強度・変換効率の間の定量的な関係を導出した。
（Ｃ）圧電薄膜中のナノスケール・フォノニック結晶：これまで取り組んできた圧電薄膜中にナノスケールの周期構造を埋め込むことによる表面弾性波制御機構を発展させ，十字孔の周期構造におけるバンドギャップ制御性について検討した。GHz～サブTHz 領域で，十字孔の大きさ・形状のパラメータによってバンドギャップがどのように変化するか，さらにその制御性を他の周波数領域（kHz～MHz）に拡張できるような準解析モデルを提案した。
（Ｄ）超音波波面の光学的可視化技術構築：フォノニック構造中の音響波伝搬機構の実験的検証手法を確立する準備として，フレネル法に基づく超音波可視化システムを構築し，サブMHz～1MHz帯における水中およびシリコーン樹脂(PDMS)内の超音波伝搬可視化に成功した。
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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
実施概要の（Ｃ）圧電薄膜中のナノスケール・フォノニック結晶，および（Ｄ）超音波波面の光学的可視化技術については当初計画をほぼ実現し，さらに他の周波数帯へ拡張させるモデル構築・実験手法の確立に至っており，計画以上の成果といえる。
一方，（Ａ）1次元ヘテロ周期構造に基づく音響ダイオードについては，インピーダンス整合法の効果は確認できたものの，当初想定したほどの透過損失の改善にまでは至っておらず，（Ｂ）間接バンド間遷移に基づく非相反音響導波路については，各種変調パラメータ間の関係の導出には成功したが，具体的な実験実証に繋がる変調方法・材料の選定にまでは至っていない。従って，全体としては「おおむね順調」と評価する。
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| 今後の研究の推進方策 |
（Ａ）ヘテロ周期構造による音響ダイオードの設計：初年度の２端子ダイオード構造の高効率化設計の一部継続に続き，２端子ダイオードの試作評価，ならびに薄膜上の２次元周期配列（４端子型）の設計に着手，最終年度までには，広帯域で高い透過率を示し，かつ順方向/逆方向の透過率比30dB 以上の音響ダイオードの実現を目指す。
（Ｂ）間接バンド間遷移に基づく非相反音響導波路：初年度の数値解析による間接遷移型ダイオードの実現のための材料探索の継続に続き，音波伝搬の相反性を実証するための導波路・変調構造の試作・評価を行う。さらに，２次元薄膜上の表面弾性波で同じ原理を適用する導波構造を数値設計に着手し，最終年度までに，圧電体周期構造をゲートに用いる２端子構造を試作・評価を目指す。
（Ｃ）圧電薄膜中のナノスケール・フォノニック結晶：初年度の十字孔周期構造の数値設計によるバンドギャップ制御法の確立，続いて微細加工技術を用いて薄膜上の周期構造を試作し，レーザー励起等による薄膜上の弾性波伝搬特性の光学的評価（レーザードップラー法等）を行う。
（Ｄ）超音波波面の光学的可視化技術構築：水中およびPDMSなどの透明固体中のフレネル法に基づく音波可視化手法確立を継続し，光弾性法などの可視化による表面弾性波の光学的可視化にも着手し，固体音響ダイオードの新しい実証・計測技術の確立を目指す。
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