2016 Fiscal Year Research-status Report
ナノ微細加工を応用した紫外域用プラズモニックレンズの研究
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16K04978
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
武田 実 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (90510686)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松井 真二 兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 特任教授 (00312306)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / マイクロレンズ / ナノインプリント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究においては、金属ナノ構造に励起される表面プラズモンを用い、新規光学素子として数ミクロンサイズと超小型でシンプルな構造ながら、ファーフィールド領域において回折限界サイズの集光ビームを生成可能な、紫外域用のプラズモニック・マイクロレンズを実現する。そして紫外域用プラズモニックレンズと半導体レーザーを組合せた、超小型高機能の新規光学デバイスの実用化検討を、ナノインプリント技術を適用して推進し、ナノスケールの光加工（記録）、光トラップ、バイオケミカル分析など広範な応用分野開拓に展開することを本研究の目的としている。
平成28年度は、従来可視域波長用としてAg 薄膜を集束イオンビーム（FIB）で加工した直径4ミクロンの同心円マルチスリット構造のプラズモニックレンズにより、焦点距離1.5ミクロン程度で回折限界の集光スポットを生成可能なことを、理論計算、及び実験結果で実証した結果を踏まえ、紫外域用プラズモニック材料として Al薄膜を用いたプラズモニックレンズの構造設計、作製評価、及び特性向上の検討を進めた。レンズの設計、作製評価については従来方式を踏襲し、各スリットの幅、半径位置を主要パラメータとして、電磁場解析シミュレーション結果と近接場光学顕微鏡の測定結果を比較検討し最適化を進めた。特にレンズの取扱い易さの向上を目指し、集光スポットをサブ波長サイズに保ちつつ、焦点距離を出来る限り長くする設計を進めた。また実用化を目指し、ナノインプリント技術を適用した作製プロセス検討に着手した。（現在作製に適用中の FIB 加工は生産性が極めて低く実用化困難）プラズモニックレンズは単体で数ミクロンサイズのため高集積化が容易で、10000 個程度マトリックス状に配置したmmサイズのレンズアレイ作製も可能であり、サブ波長サイズの高集積マルチビームを生成する小型高機能光学デバイスを実現できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Al薄膜を用いた紫外域用プラズモニックレンズの構造設計、及び作製プロセスの検討を進め、本光学デバイスの実用化の可能性を探るためナノインプリント技術の適用検討に着手した。
プラズモニックレンズの構造設計については、Al薄膜（約150nm厚）に3本の同心円状スリットを配置する構造で、波長375nmの半導体レーザーを集光した時の焦点近傍の光強度分布を電磁場シミュレーション解析で検証し、レンズ直径5.6ミクロン、焦点距離4.4ミクロンで、集光スポット約300nm（半値幅）とサブ波長サイズの集光ビーム特性を得ることが出来た。当初目標値にかなり近い設計・特性値であるが、今後も更なる最適化を進める。実際のレンズ作製と測定評価においては、焦点距離3.2ミクロン、集光スポット径270nmの計算結果に対応した構造のレンズを作製し、近接場光学顕微鏡による測定において集光スポット径約320nmを得た。Al成膜、FIB加工など作製プロセスの改善により、実測値を設計値により近付ける必要がある。
ナノインプリント技術の適用検討については、幾つかのプロセス方式から本研究のプラズモニックレンズ作製に好適な方式として、ナノインプリント用レジストパターンからのAl薄膜のリフトオフより、プラズモニックレンズを作製する方式を選定し、実際の作製検討を開始した。ナノインプリント用モールドは、EB描画でパターン形成とエッチング（RIE）により作製される石英モールドで、このモールドパターンをガラス基板上のレジストにUV光ナノインプリント方式により転写し、その後にAl成膜、及びレジストの除去を行ってAl薄膜中に多数のプラズモニックレンズを形成する。実際の作製プロセスでは、レジストパターン形成まで確認したが、その後のリフトオフでのパターン形成が未だ正常に出来ない状況で、今後の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
紫外域用Al薄膜プラズモニックレンズの構造設計、作製評価については、3本同心円状スリットを配置する構造で、レンズ直径5.6ミクロン、焦点距離4.4ミクロンの条件において各スリット幅、半径位置等の設計パラメータを検討した結果、電磁場解析シミュレーション計算により集光スポットサイズ300nm（半値幅）の特性が得られているので、この構造パラメータのレンズを実際に作製し、近接場光学顕微鏡（NSOM）による測定を行い、計算結果と比較する予定である。当初目標であるレンズ直径を5ミクロン以内に抑え、焦点距離5ミクロン程度において、サブ波長サイズの集光スポットを達成するため、構造設計の最適化を進めるとともに、Al成膜、FIB微細加工など作製プロセスの改善を更に進める。
ナノインプリント技術の適用検討については、現在検討中のAl薄膜のリフトオフ方式において、ナノインプリント用パターンの作製精度の改善、およびAl薄膜へのパターン転写を実現するため、リフトオフプロセスの改善、或いは見直しを行う。
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| Causes of Carryover |
関連する国際学会が地元で開催され、また研究分担者との打合せを電子メール等で済ますことが出来たため、当初の予定に比べ旅費を節約出来た。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の物品費、国際学会、研究打合せ等の旅費に充当する。
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[Presentation] Plasmonic Lens for Ultraviolet Wavelength2016
Author(s)
Minoru Takeda, Akihiro Tsuchiyama, Tsutomu Inoue, Kento Aizawa
Organizer
The international Conference on Near-field Optics, Nanophotonics, and Related Techniques
Place of Presentation
Act City Hamamatsu
Year and Date
2016-09-06 – 2016-09-06
Int'l Joint Research
