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2021 年度 実施状況報告書

ナノ周期構造における光の反射を利用した高感度磁場センサーの開発

研究課題

研究課題/領域番号 21K14515
研究機関徳島大学

研究代表者

高島 祐介  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 助教 (10843948)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
キーワードナノ構造 / 磁気光学効果 / 紫外光 / 表面波
研究実績の概要

本研究は、光波長以下のナノ周期構造における光の反射現象を利用し、高感度な光学式磁場センサー開発を目的としたものである。
令和3年度は、磁性体ナノ周期構造における光固有モードの運動量およびエネルギー保存則を用いて、光と磁場の相互作用(磁気光学効果)増強効果と構造寸法および構造材料の関係性について調査を行った。さらに有限差分時間領域(FDTD)法による数値計算を用いて、構造内の電磁界分布を可視化し、上記デバイス実現に向けた構造の最適化を行った。
理論解析の結果、磁性体ナノ構造/誘電体/磁性体基板構造において、ナノ構造による回折光の運動量が、磁性体表面の電子の集団振動の運動量と一致した場合、磁性体表面に固有モード(表面プラズモン)が励起され、磁気光学効果が増強されることが分かった。特に紫外光によって表面固有モードを励起することで、ナノ構造がない場合に比べ、約224倍の非常に大きな磁気光学効果が得られることが分かった。このとき、FDTD数値計算によって、磁性体ナノ構造および磁性体基板表面に非常に強い電界が集中しており、これが磁気光学効果増強のカギになることを明らかにした。
また、次年度に向けて電子線露光および真空蒸着を用いたナノ構造作製プロセス条件の最適化についても実施した。試作したナノ構造パタンを電子顕微鏡と原子間力顕微鏡によって観察し、作製時に生じる構造の不完全性発生メカニズム解明およびその抑制を検討した。観察結果に基づき、露光時間、現像時間、現像温度、蒸着速度を最適化し、100nm程度のナノ構造パタンの作製に成功した。

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

研究計画書に基づき、①固有モードの運動量とエネルギーの関係およびFDTD数値計算を用いて、磁気光学効果増強と構造寸法、構造材料との関係性について明らかにすることができた。②数値計算によって、磁性体表面の光固有モードを用いて約224倍の磁気光学効果の増強が得られることを確認し、そのメカニズムについても明らかにした。③ナノ構造作製プロセス最適化を実施し、数百ナノオーダーの微細構造を自在に作製することができた。以上によりおおむね順調に進展していると評価する。

今後の研究の推進方策

初年度に得られた基礎特性に基づき、最適化したナノ構造を試作する。試作デバイスに磁場を印加し、その磁場検出感度等の性能評価を行う。さらに実デバイスの特性評価結果を数値解析にフィードバックし、高感度磁場センサー開発を試みる予定である。

次年度使用額が生じた理由

令和3年度においては、コロナウィルスの蔓延等によって、当初予定していた学会等の成果発表の多くがオンラインで行われることとなったため、その分の旅費を次年度に計上している。本次年度使用額はナノ構造作製時に使用する薬品(電子線レジスト、アセトン、メタノール等)およびデバイス光学評価用の素子(レンズ、偏光子等)購入に充てる予定である。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Numerical finite-difference time-domain calculation for extreme enhancement of magneto-optical effect at ultraviolet wavelength using Ni-subwavelength grating on SiO2/Ni structure2022

    • 著者名/発表者名
      Takashima Yuusuke、Haraguchi Masanobu、Naoi Yoshiki
    • 雑誌名

      Optical Review

      巻: 29 ページ: 62~67

    • DOI

      10.1007/s10043-021-00711-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Highly reflective visible color filter based on a double layer TiO2 subwavelength structure2021

    • 著者名/発表者名
      Takashima Yuusuke、Haraguchi Masanobu、Naoi Yoshiki
    • 雑誌名

      Optical Materials Express

      巻: 11 ページ: 2712~2712

    • DOI

      10.1364/OME.433431

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 高屈折率を有するTiO2極薄膜を用いた深紫外光吸収体2022

    • 著者名/発表者名
      髙島 祐介, 永松 謙太郎, 原口 雅宣, 直井 美貴
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 光吸収を持つ導波路構造を利用した屈折率検出の高感度化2021

    • 著者名/発表者名
      髙島 祐介、原口 雅宣、直井 美貴
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] AlNサブ波長回折格子を用いた深紫外ミラーの広帯域化2021

    • 著者名/発表者名
      髙島 祐介、笹田 侑、永松 謙太郎、原口 雅宣、直井 美貴
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] サブ波長構造の特異な光伝搬を利用したフラット型フォトニックデバイス2021

    • 著者名/発表者名
      髙島 祐介
    • 学会等名
      第26回光科学若手研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 高屈折率ナノ構造による深紫外~可視域での発光およびセンシングデバイス2021

    • 著者名/発表者名
      髙島 祐介、永松 謙太郎、原口 雅宣、直井 美貴
    • 学会等名
      第173回ラドテック研究会講演会
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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