【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.02】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0022
利用課題名 / Title
誘電体ナノ空孔に閉じ込められた光場による物質制御・センシング技術の開発
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
光デバイス/ Optical Device,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,スピン制御/ Spin control,メタマテリアル/ Metamaterial,フォトニクス/ Photonics,集束イオンビーム/ Focused ion beam
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
新家 寛正
所属名 / Affiliation
東北大学多元物質科学研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
兒玉裕美子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
高屈折率誘電体ナノ構造体への光照射によりナノ構造体内部で励振するMie共鳴では、磁気双極子共鳴による光磁場増強、複雑な電磁場構造を持つトロイダル双極子共鳴、無輻射のアナポール共鳴、光学キラリティの増強など特異的な光学現象が誘起されるため、その近接場と物質の新奇な相互作用が注目されている。申請者はこれまでに、シリコン(Si)ナノ構造体のMie共鳴に近接場によるキラル物質制御に関する研究を行ってきた。しかし、Siナノ構造体のMie共鳴の物質との相互作用における重要な光場はナノ構造体内部で最も増強される一方で、物質は構造体内部に侵入できないため、光場との相互作用を最大限に活用できていないという問題点があった。このような現状の中、Siウェハに形成したナノ空孔においてMie共鳴が誘起されることが報告された[Hentschel et al., Light sci. appl., 12, 3, (2023)]。Siナノ空孔に閉じ込められた光場と物質を直接相互作用させることで光場の効果を増強可能であると考えられる。そこで、本研究では、光ナノインプリントリソグラフィを中心とした微細加工技術により適切に設計された高屈折率誘電体ナノ空孔を作製することで、Mie空孔共鳴による物質制御およびセンシング技術を開発することを目的とした。
実験 / Experimental
【利用した主な装置】集束イオンビーム加工装置（FIB-SEM, Versa3D）(TU-508)【実験方法】集束イオンビーム加工装置により、P型SiウェハとSiCウェハにサブnmサイズの陥没空孔構造配列体を加工した。作製したSiナノ空孔配列体を、集束イオンビーム加工装置に付随した電子顕微鏡と反射光学顕微鏡を用いて観察した。また、空孔配列体がパターニングされた石英モールドを用いた光ナノインプリントリソグラフィのリバースプロセスによるSiウェハ上への空孔配列体作製プロセスの確立を試みた。
結果と考察 / Results and Discussion
反射光学顕微鏡観察により、SiおよびSiC双方おいて作製された空孔が強く色づくことが確認されMie空孔共鳴の励振が示唆された(Fig. 1)。また、空孔のサイズに依存して空孔の示す色が変化することが確認された。さらに、周辺媒質を空気から水へ変化させることで、空孔の示す色が変化することが確認され、周辺媒質の屈折率センシングへの応用可能性を示すことができた。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1. Scaning electron micrograph and reflection optical micrographs of the nanoholes fabricated on a 4H-SiC substrate by focused ion beam. The optical micrographs show the cases that the nanoholes are exposed to air and immersed in water.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
・参考文献 Hentschel et al., Light Sci. Appl. 12, 3, (2023).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 新家寛正, 後藤和泰, 高野修綺, 田川美穂, 長谷川友子, 押切友也, 中川勝 “キラルMie空孔共鳴体のキラル光学応答” 第72回応用物理学会春季学術講演会，東京理科大学野田キャンパス，令和7年3月14日～17日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件