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2021 年度 実施状況報告書

外部磁場を用いた局在場制御技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K05290
研究機関北海学園大学

研究代表者

藤原 英樹  北海学園大学, 工学部, 教授 (10374670)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードランダムレーザー / 局在場 / 磁場応答
研究実績の概要

今年度は、レーザー誘起表面凹凸形成法を用いた簡易な手法により、磁性体であるNiFe薄膜をコートしたGaN基板表面上のランダムレーザー発振の磁場応答に関する研究をまとめ、Appl. Phys. Lett.に研究成果が掲載された。この成功を基に、異なる波長域での表面凹凸ランダムレーザーおよびその磁場応答を実現するため、GaNに代わり近赤外域で発光を示すGaAs基板を用いた表面凹凸ランダムレーザーの検討を行った。GaAsのバンドギャップよりも遥かに大きいエネルギーを持つUVパルスレーザーでは、表面の凹凸が形成されると同時に破壊も起きるため、レーザー発振の確認はできなかった。そこで、よりバンドギャップエネルギーに近いグリーンパルスレーザーを用いて照射強度や時間などの構造作製条件の最適化を行ったところ、照射強度 10 mW、照射時間数秒程度で低いしきい値を示す近赤外ランダムレーザー発振の誘起に成功した。現在は昨年度と同様に、このGaAs基板上に磁性体を分散させた構造を作製し、磁場応答の有無を確認するための実験を継続中である。
また、磁場応答以外の外部刺激応答についても研究を進め、今年度は二酸化バナジウムの絶縁体―金属相転移を利用したランダムレーザーのスイッチング動作についても研究を進めた。この実験では、ZnOナノ粒子膜にVO2粒子を分散させた試料を用意し、ZnOを励起するためのUVパルスレーザーに加え、VO2を加熱するための405nmCWレーザーを同時照射した。その結果、加熱用レーザーがあるパワーを超えるとランダムレーザー発振が急激に抑制される様子を確認し、VO2の相転移によるものと思われるスイッチング動作の誘起にも成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の目的どおり、磁性薄膜コートGaN基板を用いたランダムレーザーの外部磁場制御に成功し、論文掲載を行った。また、他波長への拡張をめざし、レーザー誘起表面凹凸形成法をGaAs基板に適用することによって、近赤外域での表面凹凸ランダムレーザーの誘起にも成功した。さらに他の外部刺激応答手法の実現も同時に試み、二酸化バナジウムの金属―絶縁体相転移を利用したランダムレーザーのスイッチング動作にも成功した。
これらの作製手法や制御手法に関する学会発表11件、論文1報、総説1報、本(分担執筆)1冊を発表した。研究は順調に推移しており、磁場応答以外の外部制御技術への発展も進んでいる。今後はこれらの成果をさらに発展させ、磁場印加だけでなく、様々な外部刺激によるスイッチング動作や発振波長チューニングなどの局在場特性制御を試みる予定である。

今後の研究の推進方策

GaAs基板における構造最適化の研究を継続して行い、レーザー照射強度や照射時間だけでなく、照射波長や開口数などのパラメータも制御を行い、さらなる構造の最適化を目指す研究を進めるとともに、磁性体粒子が分散した構造の作製を試みる。この試料を用いてレーザー発振強度や応答速度に対する磁場強度依存性を確認し、外部磁場を用いた近赤外ランダムレーザー発振制御を実現する。また、二酸化バナジウム粒子を用いた外部加熱や外部光照射によるスイッチングメカニズムを明らかにするため、試料の光加熱だけでなく、ヒーター加熱を同時に行い、絶縁体―金属相転移現象がランダムレーザー発振に変化を及ぼす原因かどうかを明らかにする。このVO2粒子の結果を表面凹凸ランダムレーザーにも利用し、相転移現象でもチューニングやスイッチングが可能かどうかを検討する。これらの研究により、半導体基板上に制御可能なランダムレーザーを直接描画する技術を開発し、最終的には先行研究を参考にショットキー電極(Al/GaN界面)を基板凹凸表面に形成することにより、電気駆動による基板からの発光やレーザー発振が可能となるかどうかを確認する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルスの蔓延により、出張がほぼ取りやめとなったことと、見積額よりもレーザーを安く入手できたために計画時との金額に差額が生じた。 差額分は、次年度においてGaAs基板を用いた外部磁場応答の実験やVO2粒子の相転移を利用した発振モード制御の実験を行うための光学部品や加熱用ヒーター、GaAs基板やVO2粒子の購入に使用する予定である。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] プラズモン場を用いたレーザー水熱合成による ナノ発光体の最適配置2022

    • 著者名/発表者名
      藤原英樹
    • 雑誌名

      Form Tech Review

      巻: 30 ページ: 66-69

  • [雑誌論文] 性質の異なるナノ粒子を光圧で選別・分離・輸送する技術を開発2022

    • 著者名/発表者名
      藤原英樹、石原一、笹木敬司
    • 雑誌名

      レーザ加工学会誌

      巻: 29 ページ: 43-45

  • [雑誌論文] Spin-Orbit Angular-Momentum Transfer from a Nanogap Surface Plasmon to a Trapped Nanodiamond2021

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Hideki、Sudo Kota、Sunaba Yuji、Pin Christophe、Ishida Shutaro、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 21 ページ: 6268~6273

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.1c02083

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of magnetic responsive random lasers fabricated by a laser-induced surface roughness2021

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Hideki、Kawaguchi Shohei、Yonekawa Daiki、Kaiju Hideo
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 119 ページ: 041105~041105

    • DOI

      10.1063/5.0058284

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photothermal energy conversion in plasmonic nanoantennas as a new path for the local growth of ZnO in nanophotonic devices2021

    • 著者名/発表者名
      Pin Christophe、Fujiwara Hideki、Suzuki Tatsuro、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      Proc. SPIE

      巻: 11696 ページ: 116960H

    • DOI

      10.1117/12.2577176

  • [雑誌論文] レーザー加熱によるグラファイト合成法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      藤原英樹、林恭平、海住英生、平井健二、雲林院宏
    • 雑誌名

      電気学会研究会資料

      巻: EFM-21 ページ: 1-5

  • [雑誌論文] 解説:光の力でナノ粒子を選別・分離する ― 高品質な医薬品、高感度なバイオセンサーの開発に貢献2021

    • 著者名/発表者名
      藤原 英樹、石原 一、笹木 敬司
    • 雑誌名

      化学

      巻: 76 ページ: 53-56

  • [学会発表] レーザー加熱を用いた局所材料合成法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      藤原 英樹
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第42回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] NiFe基板上へのレーザー誘起グラファイト合成条件の改善2022

    • 著者名/発表者名
      藤原 英樹、大黒谷 清吾、林 恭平、海住 英生、平井 健二、雲林院 宏
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] レーザー加熱によるVO2粒子の絶縁体金属相転移を利用したランダムレーザーのスイッチング動作2021

    • 著者名/発表者名
      藤原英樹
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 金属有機構造体を用いたマルチカラーフォトクロミック材料2021

    • 著者名/発表者名
      北川泰成、藤原英樹、ピリッロ ジェニー、土方優、平井健二、雲林院宏
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
  • [学会発表] Plasmonic nanostructures as controllable, nanoscale heat sources2021

    • 著者名/発表者名
      Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Keiji Sasaki
    • 学会等名
      第7回 北大・部局横断シンポジウム
  • [学会発表] レーザー加熱によるグラファイト合成法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      藤原 英樹、林 恭平、海住 英生、平井 健二、雲林院 宏
    • 学会等名
      電気学会 電子材料研究会 テーマ「レーザー技術を駆使した材料生成とその制御」
  • [学会発表] Photothermal energy conversion in plasmonic nanoantennas as a new path for the local growth of ZnO in nanophotonic devices2021

    • 著者名/発表者名
      Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Tatsuro Suzuki, Keiji Sasaki
    • 学会等名
      SPIE Photonics West
    • 国際学会
  • [学会発表] Nanoscale ZnO growth via localized photothermal energy conversion in plasmonic nanoantennas2021

    • 著者名/発表者名
      Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Tatsuro Suzuki, Keiji Sasaki
    • 学会等名
      The 11th international conference on Metamaterials, photonic crystals and plasmonics
    • 国際学会
  • [学会発表] Selective ZnO growth in a plasmonic nanoantenna using a plasmon-assisted hydrothermal synthesis2021

    • 著者名/発表者名
      Hideki Fujiwara, Christophe Pin, Keiji Sasaki
    • 学会等名
      Optics & Photonics Japan 2021 Joint Symposia on Optics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Photothermal energy conversion in plasmonic nanoantennas as a new path for the local growth of ZnO in nanophotonic devices2021

    • 著者名/発表者名
      Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Tatsuro Suzuki, Keiji Sasaki
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Orbital rotation of a nanoparticle using plasmonic multimer structures2021

    • 著者名/発表者名
      Yuji Sunaba, Hideki Fujiwara, Kota Sudo, Christophe Pin, Syutaro Ishida, Keiji Sasaki
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 国際学会
  • [図書] High-Energy Chemistry and Processing in Liquids (Chapter6: Fabrication and Control of Semiconductor Random Lasers using Laser Processing Techniques)2022

    • 著者名/発表者名
      Hideki Fujiwara
    • 総ページ数
      22
    • 出版者
      Springer Nature Singapore Pte Ltd.
    • ISBN
      978-981-16-7800-4
  • [備考] 個人のページ

    • URL

      https://sites.google.com/view/hfujiwara/

  • [備考] 第68回応用物理学会春季学術講演会 Editor's Picksでの研究紹介記事

    • URL

      https://annex.jsap.or.jp/photonics/backnumber/7-1

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公開日: 2022-12-28  

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