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2015 年度 実績報告書

プラズモニック・メタ表面における増強光工学の研究

研究課題

研究課題/領域番号 26706020
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

岩長 祐伸  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端フォトニクス材料ユニット, 主任研究員 (20361066)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード増強光工学 / メタ表面 / プラズモニクス / メタマテリアル
研究実績の概要

平成27年度までにおいてはとくに次の成果があった。
・新規メタ表面構造の発案と実証。SOI基板を基にしたUVナノインプリント加工により、高スループットかつ高精度に相補的な積層(Stacked Complementary, SC)構造からなるメタ表面基板を作製した。このSC構造はプラズモンとフォトンのハイブリッド共鳴であることも明らかにした。
・ナノインプリント法は基本的に垂直方向の加工技術であるが、不可避の残膜処理工程に注目して、水平方向の加工自由度を導入することに成功した。これにより、単一モールドによって多種類のメタ表面基板の作製が可能となり、低コスト化と実用度の向上を実現できた。
・SC構造のメタ表面は完全放射率も可能であり、その高い放射率は蛍光分子の蛍光強度増強に非常に有用であることを実証した。平坦なシリコン基板と比べて、最大2500倍を超える蛍光強度増強を観測した。この大きな蛍光強度増強においては金属最表面と分子の界面制御が重要であり、自己組織化単分子膜(SAM)を用いることで先述の強度増強を実現した。
・さらに、SAMなしのSC構造メタ表面においてラマン散乱を著しく増強できることを実験的に見出した。予想外の結果であり、実験データを手広く収集して、この現象が可能となるメカニズムについて考察を進めた。この内容については論文投稿の準備を進めた。
上記の結果についてこれまでに発表論文5報(いずれも研究代表者が対応著者)、招待講演5件(登壇のみ)、特許出願1件を通じて成果を発信した。

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

増強光工学の開拓を目指す本課題において、メタ表面という人工環境における物質内電子遷移の光による選択的な操作が中心的な課題である。

これまでに蛍光分子における光学遷移過程をメタ表面上で促進すること及び無輻射遷移に励起状態が流出する過程を人工的に抑制することには前年度までに成功していた。さらに複数の光学遷移過程が競合する場合に、それらを人工的に選択できることを実験的に明らかにした。蛍光やラマン散乱に関して、多数のプラズモン増強を報告した論文があるが、これらの人工的な選択は初めて成功したと認識している。この結果は光学遷移過程をメタ表面上で人工的に操作したことによって生じたものであり、物質の人工的な光操作の多面性を示唆する結果である。

今後の研究の推進方策

今後はこれまでの成果を発展させる一方で、増強光工学の多様性を示す研究を推進していく方針である。
(1)分子の光学遷移過程から生じる競合信号(蛍光やラマン散乱)のメタ表面上での選択可能性に関して、その普遍性を検証すべく、これまで対象としてこなかった分子種について実験研究を行う。
(2)半導体における光学遷移過程の人工的な促進や選択は新規の半導体光デバイス開発につながる重要な基礎研究である。したがって、半導体を対象とする増強光工学を推進する方針である。半導体の光励起に伴う電子過程は発光のみならず、無輻射遷移と結びついた光伝導などもあり、競合過程に注意を払いながら、予断なく研究を進める。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Ultraviolet-nanoimprinted packaged metasurface thermal emitters for infrared CO2 sensing2016

    • 著者名/発表者名
      H. T. Miyazaki, T. Kasaya, H. Oosato, Y. Sugimoto, B. Choi, M. Iwanaga, and K. Sakoda
    • 雑誌名

      Sci. Technol. Adv. Mater.

      巻: 16 ページ: 035005

    • DOI

      10.1088/1468-6996/16/3/035005

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 光放射メタ表面の創製と応用2016

    • 著者名/発表者名
      宮崎英樹, 岩長祐伸
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 44 ページ: 10,14

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Overcoming metal-induced fluorescence quenching on plasmo-photonic metasurfaces coated by a self-assembled monolayer2015

    • 著者名/発表者名
      B. Choi, M. Iwanaga, H. T. Miyazaki, Y. Sugimoto, A. Ohtake, and K. Sakoda
    • 雑誌名

      Chem. Commun.

      巻: 51 ページ: 468

    • DOI

      10.1039/C5CC04426J

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Toward Super-Resolution Imaging at Green Wavelengths Employing Stratified Metal-Insulator Metamaterials2015

    • 著者名/発表者名
      M. Iwanaga
    • 雑誌名

      Photonics

      巻: 2 ページ: 468, 482

    • DOI

      10.3390/photonics2020468

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] UVナノインプリント法を用いたナノメートル精度の金型作り2015

    • 著者名/発表者名
      岩長祐伸
    • 雑誌名

      プラスチックス

      巻: 66 ページ: 6,10

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] メタ表面における分子内光学遷移過程の人工的選択2016

    • 著者名/発表者名
      岩長祐伸, 崔峯碩, 宮崎英樹, 杉本喜正
    • 学会等名
      第63 回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学, 東京
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 光エネルギー利用デバイス設計の高精度化・最適2015

    • 著者名/発表者名
      岩長祐伸
    • 学会等名
      第2 回「京」を中核とするHPCI システム利用研究課題成果報告会
    • 発表場所
      日本科学未来館, 東京
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-26
  • [学会発表] 完全光吸収メタ表面の設計と作製、応用2015

    • 著者名/発表者名
      岩長祐伸, 崔 峯碩, 黒澤裕之
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場, 名古屋市
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Plasmo-Photonic Metasurfaces Manipulating Electronic Processes in Fluorescent Molecules2015

    • 著者名/発表者名
      M. Iwanaga, B. Choi, H. T. Miyazaki, Y. Sugimoto, A. Ohtake, and K. Sakoda
    • 学会等名
      META’15, The 6th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • 発表場所
      New York City Colledge, New York, USA
    • 年月日
      2015-08-04 – 2015-08-08
    • 国際学会
  • [学会発表] Large-area optical metadevices produced by UV nanoimprint lithography2015

    • 著者名/発表者名
      M. Iwanaga, B. Choi, and Y. Sugimoto
    • 学会等名
      The 5th Korea-Japan Metamaterials Forum
    • 発表場所
      Seoul National University, Korea
    • 年月日
      2015-06-29 – 2015-07-01
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent Progress in Metasurface Studies at NIMS2015

    • 著者名/発表者名
      M. Iwanaga
    • 学会等名
      French-Japanese Seimiar on “Emerging Materials for Optics”
    • 発表場所
      フランス大使館, 東京
    • 年月日
      2015-06-03 – 2015-06-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent Progress in Resonance Enhancement of Light Emissions on Metasurfaces2015

    • 著者名/発表者名
      M. Iwanaga, B. Choi, H. T. Miyazaki, Y. Sugimoto, and K. Sakoda
    • 学会等名
      The 4th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS’15)
    • 発表場所
      パシフィコ横浜, 横浜市
    • 年月日
      2015-04-22 – 2015-04-23
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] NIMS SAMURAI site

    • URL

      http://samurai.nims.go.jp/IWANAGA_Masanobu-j.html

  • [産業財産権] 表面増強ラマン散乱分析用基板、その製造方法およびその使用方法2016

    • 発明者名
      岩長祐伸
    • 権利者名
      国立研究開発法人物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2016-058326
    • 出願年月日
      2016-03-23

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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