テラヘルツ波帯・赤外領域の電磁波制御に向けた磁性制御メタ材料の学理構築

建立控制太赫兹波段和红外区电磁波的磁控超材料理论

基本信息

批准号：
22KJ1233
负责人：
朝田晴美
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

メタサーフェスは、メタアトムと呼ばれる波長よりも小さい構造を周期的に多数配置した人工構造材料である。メタアトムの材料、形状、寸法の設計で、自然界の材料では実現できない光学特性を有する人工構造材料を実現できる。誘電体膜の表裏両面に金属パッチを配置した構造のメタアトムにより、メタサーフェスの比誘電率と比透磁率を同じ周波数で同値かつ高い値に設計することで、高屈折率かつ無反射な光学特性を実現できる。屈折率が異なる複数のメタアトムの配置を設計することで、光源の指向性利得を向上する平面状で薄型な分布屈折率レンズや、平面波を光渦に変換する平面状で薄型な光学素子も実現できる。2年目は、これまでに作製した50THz帯で高屈折率・無反射なメタサーフェスの実験評価を進めた。メタサーフェスは厚さ100nmの極薄のSiNxメンブレンの表裏両面に1辺1200nmの正方形Auパッチを周期的に配置している。作製したメタサーフェスの実験評価に向け、クラマース・クローニッヒの関係式を用いて、材料の反射と透過の振幅のみから、材料の光学特性を導出する方法を構築した。位相の測定が困難な赤外域でも、反射と透過の振幅の測定のみから、材料の比誘電率と比透磁率の両方を導出できる。構築した方法により、フーリエ変換赤外分光計で測定した反射と透過の振幅の実験結果から、作製したメタサーフェスが50THz帯で高屈折率・無反射な光学特性を有することを確認した。作製したメタサーフェスの実験による実証はIRMMW-THz2022で報告した。クラマース・クローニッヒの関係式を用いた光学特性の導出方法の構築はFTT2022で報告した。また、メタサーフェスの作製と実証の成果は、文部科学省マテリアル先端リサーチインフラの令和4年度「秀でた利用成果」優秀賞を受賞した。第22回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議で講演とポスター展示を行った。

超表面是一种人工结构材料，其中周期性排列大量小于波长的结构，称为超原子。通过设计元原子的材料、形状和尺寸，可以创造出具有天然材料无法实现的光学特性的人工结构材料。超原子的结构是在介电薄膜的正面和背面都放置金属贴片，并通过将超表面的相对介电常数和相对磁导率设计为相同且相同的高值频率下，具有高折射率且无反射的光学特性。通过设计具有不同折射率的多个元原子的排列，我们实现了提高光源的方向增益的平面和薄型分布折射率透镜以及将平面波转换为光学涡旋的平面和薄型光学元件。第二年，我们对迄今为止创建的 50 THz 频段的高折射率、非反射超表面进行了实验评估。该超表面由100nm厚的超薄SiNx薄膜组成，两侧周期性排列有1200nm的方形金片。为了通过实验评估所制造的超表面，我们开发了一种方法，使用 Kramers-Kronig 关系仅根据材料的反射和透射幅度来推导材料的光学特性。即使在相位测量困难的红外区域，也可以仅通过测量反射和透射的幅度来获得材料的相对介电常数和相对磁导率。使用所开发的方法，我们从傅里叶变换红外光谱仪测量的反射和透射幅度的实验结果证实，所制造的超表面具有高折射率的光学特性，并且在 50 THz 波段无反射。 IRMMW-THz2022 报告了所制造的超表面的实验演示。 FTT2022 报告了使用 Kramers-Kronig 关系导出光学特性的方法的构建。此外，超表面制作及示范成果荣获文部科学省材料先进研究基础设施2021年度“优秀利用成果”优秀奖。在第22届国际纳米技术展览暨技术会议上发表演讲并举办海报展览。