ナノサイズの金属キラル構造による単層の光アイソレータ

具有纳米级金属手性结构的单层光隔离器

基本信息

批准号：
20J23133
负责人：
古澤岳
金额：
$ 1.98万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23133/
关键词：
キラルメタマテリアル光学フィルタマイクロナノ加工

项目摘要

本研究は、金属ナノキラル構造が持つ可視光領域の強い円二色性を応用し、片側円偏光吸収による薄型・単層の光アイソレータの実現を目標に取り組んだ。今年度は、光アイソレータの実現に必要な光学特性である光領域で片側円偏光透過・片側円偏光吸収を示すキラルメタマテリアルの実機実証を遠赤外領域で達成した。本研究では動作理論の構築と実デバイスによる原理実証を並行して行った。動作理論構築では、有限要素シミュレーションの電磁場解析を用いて、片側円偏光吸収が発生する有望な条件を探索し、構造の形状と光学特性の関係を調査した。シミュレーション調査により赤外領域で片側円偏光透過・片側円偏光吸収を示すキラルメタマテリアルの有望条件を発見した。発見した有望構造に関して、フォトリソグラフィを用いて実デバイス化に取り組んだ。実デバイス製作は、一般的なマイクロナノ加工で用いられるリフトオフ等を用いて行った。その際に、デバイスを構成する金のマイクロキラル構造を2層構造で構成したため、2層目のパターニングの際に位置合わせ描画を行った。製作した金マイクロキラル構造を電子線顕微鏡で観察し、設計通りに製作できていることを確認した。製作した金マイクロキラル構造を遠赤外光に対して透明な樹脂に転写して透過型のデバイスを製作した。デバイスが示す円二色性を計測したところ、自然材料よりも桁違いに大きな円二色性を示すことが確認できた。また、シミュレーションの結果と比較したところ、実測値とシミュレーション結果の特徴が整合し、提案方法の妥当性を示すことができた。本手法は、前年度までのシミュレーション結果を考慮すると、共鳴構造をナノサイズまでスケールダウンすることで可視光での動作も見込める。そのため、本研究の最終目標である可視光における単層の光アイソレータの基礎的な特性を実現できたと言える。

这项研究旨在通过应用金属纳米手性结构在可见光区域的强圆二色性来实现吸收单侧圆偏振光的薄型单层光学隔离器。今年，我们在远红外区域实现了手性超材料的演示，该材料在光学区域表现出单侧圆偏振光透射和单侧圆偏振光吸收，这是实现光学隔离器所需的光学特性。在这项研究中，我们构建了一个操作理论，并使用实际设备并行验证了原理。在构建操作理论时，我们通过有限元模拟进行电磁场分析，寻找发生单侧圆偏振光吸收的有希望的条件，并研究了结构形状与光学特性之间的关系。通过模拟研究，我们发现了手性超材料在红外区域表现出单侧圆偏振光透射和单侧圆偏振光吸收的有希望的条件。我们使用光刻技术将我们发现的有前景的结构开发成实际设备。实际器件是使用微纳米加工中常用的剥离技术制造的。当时，由于构成器件的金微手性结构被构建为双层结构，因此在对第二层进行图案化时进行了对准绘制。使用电子束显微镜观察所制作的金微手性结构，并证实其是按照设计制作的。通过将制造的金微手性结构转移到对远红外光透明的树脂上，制造了透射型装置。当我们测量该装置表现出的圆二色性时，我们证实它表现出的圆二色性比天然材料大一个数量级。此外，将结果与仿真结果进行比较时，测量值和仿真结果的特征相匹配，证明了所提方法的有效性。考虑到前一年的模拟结果，通过将共振结构缩小到纳米尺寸，该方法也有望在可见光下运行。因此，可以说我们已经实现了针对可见光的单层光隔离器的基本特性，这也是本次研究的最终目标。