イプシロンニアゼロ材料における非線形磁気光学

ε 近零材料中的非线性磁光

基本信息

批准号：
22K18989
负责人：
太田泰友
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、イプシロンニアゼロ（ENZ）特性を示す酸化インジウムスズ（ITO）を舞台に、磁気光学（MO）効果の非線形光学応答の観測とその応用を検討するものである。初年度は、ガラス基板上への高品質ITOの成膜を試みるとともに、作製したITO薄膜に対する光学評価を行った。また、MO-ENZ材料を取り込んだ光学素子の設計にも取り組んだ。ITOの成膜では、スパッタターゲットの工夫やスパッタ条件の精密制御を通じて高品質化を図った。作製した薄膜はエリプソメーター等で評価し、その誘電率などを解析した。まず、ITO中の酸素濃度を変化させることでENZ波長の制御を試みた。結果、目標とする近赤外領域においてENZ特性を示すITO薄膜の形成に成功した。特に、高温での成膜条件を見出すことで、先行研究と比べてENZ波長における光学損失が小さなITO膜を形成することが可能となった。次に、同薄膜に対するMO分光を進めた。可視から近赤外域において、透過反射分光を行いガラス基板の影響を差し引くことでITO薄膜のMO応答を調べた。結果、近赤外域においてFaraday回転およびKerr回転ピークをENZ波長近傍で観測することに成功した。酸素濃度を変化させた試料においては、MO応答のピーク波長がシフトを示し、ENZ効果によって増強されていることが確認された。光学デバイスの設計では、ENZ材料をクラッドとしたフォトニック結晶構造の解析に取り組んだ。有限要素法をベースとしてヘルムホルツ方程式を解析しバンド構造などの基礎的な光学応答を調べた。

本研究旨在观察磁光（MO）效应的非线性光学响应，并考虑其使用具有ε近零（ENZ）特性的氧化铟锡（ITO）的应用。第一年，我们尝试在玻璃基板上形成高质量的ITO薄膜，并对生产的ITO薄膜进行光学评估。我们还致力于设计一种采用 MO-ENZ 材料的光学元件。在ITO成膜中，通过设计溅射靶并精确控制溅射条件，实现了高品质。使用椭偏仪评估所制造的薄膜，并分析其介电常数和其他性能。首先，我们尝试通过改变 ITO 中的氧浓度来控制 ENZ 波长。结果，我们成功地形成了在目标近红外区域表现出 ENZ 特性的 ITO 薄膜。特别是，通过寻找高温下的成膜条件，与以往的研究相比，可以形成ENZ波长下的光损失更低的ITO膜。接下来，我们对同一薄膜进行了 MO 光谱分析。我们通过在可见光到近红外区域进行透射反射光谱并减去玻璃基板的影响来研究 ITO 薄膜的 MO 响应。结果，我们成功地观测到近红外区域ENZ波长附近的法拉第旋转和克尔旋转峰值。在氧浓度不同的样品中，MO 响应的峰值波长出现变化，并证实 ENZ 效应增强了这种变化。在光学器件的设计中，我们对使用 ENZ 材料作为包层的光子晶体结构进行了分析。我们基于有限元方法分析了亥姆霍兹方程，并研究了能带结构等基本光学响应。