2021 Fiscal Year Research-status Report
ナノ構造化グラフェンの波長圧縮効果による低エネルギー光計測技術の革新
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21K18874
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
池田 勝佳 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50321899)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | グラフェン / プラズモン共鳴 / 表面増強効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノスケールの極小空間にて光を自在に操るナノフォトニクスは、既存の光技術を革新する技術として期待されているが、主に可視光領域での検討がなされてきており、赤外～テラヘルツ帯域に相当する長波長領域は未踏領域として残されている。これは、ナノフォトニクスで利用している表面プラズモンの性質に由来する本質的な課題である。従来のナノフォトニクスでは金属ナノ構造が使われてきたが、本研究では2次元電子系であるグラフェンに励起された表面プラズモンが表裏2面の各モードが厚さゼロで強結合した特異なモードであることに着目している。グラフェンが赤外・テラヘルツ帯域で巨大な波長圧縮効果を発現する可能性について検証を行うと同時に、可視光領域での光学応答の増強効果につても検討を行い、可視・赤外・テラヘルツ領域にまたがる広帯域のプラズモニック材料としてのグラフェンの可能性を総合的に検討することで、新規光計測技術としての開拓を目指している。
光学デバイスとしての応用にはある程度の面積を持つ資料を作成する必要がある。これまでに、グラフェンにナノホールを周期的かつ大面積に簡易に導入する為のテンプレートとして、ポーラスアルミナを基板から剥離してエッチングマスクとする技術について条件の最適化を続けてきた。また、ナノ構造化グラフェンとの比較対象である金属ナノ構造についても、同じくポーラスアルミナをテンプレートとして銀ナノロッドを作成する試みを行った。また、グラフェンは単層物質としては特異的に大きな光吸収を示すことが知られており、金基板上に成膜したグラフェンについて、可視光領域での光学応答についても検討していたところ、特定の条件で異常な信号増強効果を生じる可能性を見出した。これについては現在慎重に調査を進めているところである。
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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
本研究における技術的な核のひとつは、赤外領域の光学測定に対応可能な大面積においてグラフェンおよび金属のナノ周期構造体を作成する手法の確立である。大面積に2次元ナノ周期構造を作成する方法として、アルミの陽極酸化法が知られている。特定の条件で2次元周期構造を持つポーラスアルミナが形成されることが知られている。これまでにポーラスアルミナの作成が出来ていることは確認できており、フリースタンディング膜として取り出し、グラフェンのエッチングマスクとするための条件を最適化しているところである。また、同じポーラスアルミナをテンプレートとして、グラフェンとの比較に用いる銀ナノ構造体についても電析をベースとして条件の確立を進めているところである。
上記の作業と並行して、グラフェン自体を使った実験も進めており、各種金属表面に成膜したグラフェンの電子状態について、基板表面との相互作用による変化を比べるため、電子ラマン散乱スペクトルの測定を行った。また、グラフェンが単層膜物質としては特異的に大きな光吸収を示すことが知られていることから、可視光領域での光学応答増強効果についても検証を進めており、ある特定の条件で予想をはるかに上回る増強度を示す可能性が示唆された。これについては、現象の再現性を含めて今後慎重に検証を進めていく必要がある。
以上のように、一部の研究計画についてはやや遅れている部分があるものの、予想を上回る結果が得られそうな内容もあり、全体としては概ね順調に進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
グラフェンへのナノホール周期配列構造の導入と銀のナノロッド周期配列構造について、作成条件の確立を進め、それぞれのプラズモン共鳴波長の測定を行う。更に、得られた共鳴波長近傍で波長圧縮効果に伴う表面増強効果が発現するかどうかを実験的に確かめる。特にグラフェンナノ構造に関しては赤外領域での増強効果を期待しており、グラフェンを電極とする電気化学環境下において、グラフェン近傍に存在する化学種の選択的赤外吸収分光への利用について実験的な検証を進める。銀ナノロッド周期構造については、近赤外領域での共鳴増強効果だけでなく、赤外領域での非共鳴増強効果の検証も進める。また、金属表面に成膜したグラフェンについて、光学応答増強効果とみられる現象が可視光領域でも予想以上に大きな効果を示す可能性を見出している。これについて、その再現性を慎重に検証するとともに、発現条件と発現機構の詳細を調べる予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍における学会のオンライン化により旅費が不要となったため、4万円強の残額を次年度予算と合算して有効活用することとした
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Research Products
(5 results)
