【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.19】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24MS1110

利用課題名 / Title

シリコン光共振器の遠赤外分光特性

利用した実施機関 / Support Institute

自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

【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）-

キーワード / Keywords

赤外光共振器, 外分光, 遷移金属ダイカルコゲナイド,光デバイス/ Optical Device,量子効果デバイス/ Quantum effect device,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy

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)

上野 貢生

所属名 / Affiliation

北海道大学大学院理学研究院

共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes

今枝 佳祐,牛越 新波

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes

売市 幹大

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

MS-226：FT遠赤外分光

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究では、分子振動モードと赤外共振器モードの強結合に起因する赤外Purcell効果の実証を目的として、シリコン光共振器の遠赤外分光特性をFT-IRを用いて測定した。分子科学研究所にて、共振器単体およびMoS₂との複合系の透過スペクトルを取得し、39 cm^-1付近に対応する共振モードの存在を外挿的に確認した。赤外活性B1モードとの相互作用が示唆され、位相緩和寿命の短縮と赤外Purcell効果の寄与が明らかとなった。

実験 / Experimental

2025年3月10日、分子科学研究所において、売市幹大技術職員のご指導の下、今枝佳祐助教および大学院生・牛越新波氏と共に、Bruker IFS66v/Sを用いてシリコン共振器およびMoS₂バルク結晶の遠赤外FT-IR透過スペクトルを測定した。測定波数範囲は20–200 cm^-1とし、主に80–200 cm^-1で良好な信号対雑音比（SN比）を得た。さらに、MoS₂結晶において赤外活性B1モードとの共鳴を検討する目的で、共振器構造の有無による透過スペクトルの比較を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

透過スペクトルの測定により、シリコン光共振器では多数の高次モード由来の明瞭な共振ピークが観測され（図1黒実線）、それらの波数変化をプロットすることで、共振モードが一定間隔で低波数側へシフトすることが確認された。これにより、外挿的に赤外活性振動B1モードに対応する39 cm^-1に共振モードが存在することが示唆された。一方、両面未研磨のシリコン基板では共振ピークは観測されず（図1黒破線）、構造に起因する光共振器効果が明確に現れた。さらに、コヒーレント光学フォノン計測により、39 cm^-1のB1モードの位相緩和寿命が共振器との結合条件下で短縮することが確認され、赤外Purcell効果による無輻射失活速度の加速が実験的に裏付けられた。また、MoS₂バルク試料においては385 cm^-1付近に赤外吸収が観測され、これは通常赤外不活性なE¹_2gモードが結晶欠陥や対称性の破れにより活性化された可能性があると考察された。以上の結果より、光共振器と赤外振動モードの強結合による動的特性の変調が明確に示された。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 バックグラウンド信号、シリコン光共振器、シリコン両面未研磨の透過スペクトル

図2 MoS₂バルク結晶の赤外吸収スペクトル

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

受賞
上野貢生, 第38回光化学協会賞, “結合系プラズモニックナノ構造のコヒーレンス時間の制御と光化学反応に関する研究”, 2024年9月4日, 光化学協会

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.

1. 1. 牛越新波, 今枝佳祐, 龍﨑 奏, 上野貢生, “コヒーレント光学フォノン計測による赤外パーセル効果の検証”, 2024年光化学討論会, 3P023, 九州大学, 福岡, 9月5日 (2024).

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