【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.09】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0015
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）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis
【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
蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,CVD,リソグラフィ/ Lithography,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,センサ/ Sensor,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,光デバイス/ Optical Device,メタマテリアル/ Metamaterial,スピン制御/ Spin control,フォトニクス/ Photonics
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
稲川亮太,茅嶋由侑,高野修綺,長谷川友子,大沼晶子,押切友也,中川勝
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
戸津健太郎,森山雅昭,菊田利幸,庄子征希,邉見政浩,松本行示,八重樫光志朗,古林庸子
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
TU-201：DeepRIE装置#1
TU-328：2光子励起顕微鏡
TU-101：酸化炉
TU-167：電子ビーム蒸着装置
TU-162：ECRロングスロースパッタ
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】DeepRIE装置#1 (TU-201)
【実験方法】レーザーリソグラフィにより、P型Siウェハへナノ空孔周期配列体をパターニングし、SF6及びC4F8を用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングにより、Siナノ空孔配列体を作製した。作製したSiナノ空孔配列体を、反射顕微鏡および原子間力顕微鏡(AFM)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
反射顕微鏡像から、作製したSiナノ空孔配列体は強く色づき、特定の波長の光が共鳴していることが示唆された(Fig. 1)。また、ナノ空孔のサイズによる色の変化を確かめることができた。これらの観察結果から作製したSiナノ空孔がMie空孔共鳴していることが示唆された。今後、Mie空孔共鳴の性質を利用することで、Mie空孔共鳴場での物質の制御やセンシング技術を開発する。また、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って空孔構造を作製することにも成功した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1. Reflection optical microscopic images and AFM images of the void nanostructures fabricated on a P-type Si wafer.
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).
・JSPS-科研費 挑戦的研究(萌芽)「Mie空孔共振器に閉じ込めた分子の不斉結晶化」
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