| 研究課題/領域番号 |
19K05286
|
|---|
| 研究機関 | 日本大学 |
|---|
研究代表者 |
四方 潤一 日本大学, 工学部, 准教授 (50302237)
|
|---|
| 研究分担者 |
時実 悠 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (80648931)
南出 泰亜 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (10322687)
池田 正則 日本大学, 工学部, 教授 (10222902)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | テラヘルツ波 / 表面プラズモン共振器 / 二重共鳴構造 / 超高解像 / イメージング |
|---|
| 研究実績の概要 |
本年度は、本課題遂行の鍵となるテラヘルツ帯表面プラズモン共振器（THz-BE）の広帯域動作設計を明らかにするため、有限要素法を用いたテラヘルツ電磁場の数値解析による調査を行った。まずTHz-BEの多周波動作のため、異なる周期の回折格子を対角上に付与した構造を解析した結果、テラヘルツ波の偏波回転により動作周波数を1.5THzと1.9THzの間で切替られることを見出し、局所電磁場の集中による微細テラヘルツ波ビームの放射を確認した。次に連続的な広帯域動作を実現するため、自己補対型の対数周期回折格子を設計・解析した結果、周波数1～4THzに及ぶ広帯域動作を見出した。このTHz-BEデバイスの製作と3次元テラヘルツイメージング（THz-OCT）用測定試料の準備に向けて、機関所有の微細加工設備を利用して半導体デバイスの試作を行った。そこではゲート長4～12μmのMOS-FETをn型Si基板上に作製して静特性測定を行い、デバイス製作に不可欠な数μm以内の加工精度を確認した。一方、二重共鳴型THz-BEを用いたTHz-OCTの実験に向け、基本光学系の構築と動作確認を行った。テラヘルツ波光源には高出力・波長可変の光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器を用い、OCT計測には周波数掃引方式を採用して必要となるマイケルソン干渉光学系を構築した。まず可動ミラーを光軸上で移動させて干渉信号を取得し、さらにテラヘルツ波の周波数を1.2～1.8THzの範囲で変化させて干渉信号を得た。このTHz-OCT計測では周波数掃引と測定対象物の2次元走査に関わる多くの制御が必要であるため、LabVIEW言語を用いて周波数掃引制御と二次元画像の取得をシーケンスとした自動計測システムを開発し、反射干渉スペクトル位置依存性の自動取得に成功した。
|
| 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
本研究の初年度である令和元年度の研究計画では、（1）本課題で必要となる広帯域動作THz-BEの構造設計を数値解析を用いた調査により明らかにし、微細加工設備を用いたデバイス製作の準備に着手すること （2）二重共鳴型THz-BEを用いたTHz-OCT光学実験に向けて実験系を構成し、基本動作を確認することを主な予定した。まず（1）の数値解析調査と製作準備については、広帯域動作設計が未解明の大きい課題であったが、THz-BEへの多周期構造導入による多周波動作を明らかし、THz-OCTに必要となる連続広帯域動作設計に向けて自己補対型対数周期THz-BEに取り組み、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器の周波数可変域の大部分に相当する広帯域で動作可能な単体のTHz-BEの設計を初めて明らかにできた。また、THz-BEの製作準備としては、研究代表者・分担者の所属機関である日本大学工学部では昨秋の台風によりデバイス製作機器や計測装置等において甚大な浸水被害が出たが、その前後で微細加工プロセスに関する試作・測定、電子計測システムの構築等を行い、当初の計画をほぼ遂行することができた。一方、（2）の光学実験については、予定通り周波数可変テラヘルツ波光源を用いてTHz-OCTの光学実験系を構築し、その基本動作を実証する干渉スペクトル信号も得られ、電圧制御、GPIB制御、電圧取得機能を組み合わせた自動計測システムの構築により三次元画像計測にも成功した。二重共鳴によるTHz-BEの透過増強実験についてもTHz-BEや光学部品の準備と研究代表者・分担者間の打合せを行い、実施に向けた準備を進めている。以上から初年度の計画はほぼ遂行しており、本課題は概ね順調に進展している。
|
| 今後の研究の推進方策 |
上記のように、本年度の計画である（1）THz-BEの構造設計・試作準備と（2）テラヘルツ光学実験への準備は、ほぼ予定通り進展した。そこで今後の研究内容・方策として、（3）広帯域動作THz-BEの試作と動作実験 （4）二重共鳴型THz-BEの透過増強実験 （5）微細構造計測に向けたTHz-OCT実験準備を順次進めていく予定である。特に広帯域動作THz-BEの製作と動作特性に関わるテラヘルツ光学実験は本研究で中心的課題であるため、研究代表者と分担者の緊密な連携により試作・実験的調査を進めていく。THz-BEの製作においては、Si基板の微細加工に基づくデバイス製作に着手する。次年度は新たに電子ビーム描画装置を導入する予定であり、微細加工を短時間で行うとともに、基板面内の各領域で異なる構造を有するTHz-BEの製作に不可欠なパターン変更や修正を円滑に進めることが可能になると考えている。さらにTHz-BEデバイスの作製と並行して、測定試料となるサブミクロンオーダーの微細構造を有するnチャネルMOS-FET作製を進める。二重共鳴型THz-BEの透過増強実験については、テラヘルツ波ミラーとしてSi基板やワイヤグリッド等の光学素子を用いて遂行準備を進めていく予定であり、実験状況に沿った解析も並行して行う。ただし、現状では高感度テラヘルツ波検出器に必要なヘリウム供給が滞っている問題があるため、常温動作の高感度テラヘルツ波検出器等の検討も進めていく。さらに次年度では、THz-OCT計測の基礎特性を詳細に実験的に調査する。特に、周波数掃引範囲の拡張、計測時間の最適化は研究目的を達成するうえで重要であり、実験結果の考察を行いながら実験系の最適化を実施する。その後、実際にサンプル計測を行いTHz-OCT計測の性能評価と最適化を行う。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度に使用額が生じた理由は、主に購入した消耗品（電子回路部品や半導体プロセス消耗品等）において価格推移等による端数額が生じたためである。この次年度使用額は本年度の予算全体に比して少額であり、本年度の予算は中心的課題であるテラヘルツ帯表面プラズモン共振器の設計に不可欠な電磁場解析ソフトやデバイス製作・テラヘルツ光学実験に関する研究打合せ旅費を中心に研究の進展に十分に活用できており、本年度の研究遂行には本質的な影響は出ていない。本年度の実施内容・成果に基づき、次年度では当初計画したように微細加工技術を用いてデバイス試作を重ね、動作実証と高性能化を検討していく予定であるため、この少額の次年度使用額は設計・製作に不可欠な電磁場解析ソフトの継続使用料や半導体材料費等に活用していく予定である。また、光学実験においては高感度・高速なテラヘルツ波計測システム構築に不可欠な電子回路部品の購入や、高出力レーザ照射による消耗度に応じて必要性が生じた光学部品の購入を予定している。さらに、初年度および次年度で得た成果を早期に積極的に発表するため、学会発表・研究打合せ等の国内旅費や論文発表に不可欠な英文校閲費や論文投稿料の使用を予定している。
|
