【公開日：2025.07.07】【最終更新日：2025.07.03】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23NM0145
利用課題名 / Title
金属プラズモニック結晶の作製
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構 / NIMS
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）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）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（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
ナノフォトニクス、プラズモニクス,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,スパッタリング/ Sputtering,電子線リソグラフィ/ EB lithography,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)
久保敦 敦
所属名 / Affiliation
筑波大学 数理物質系
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
豊澤 剛
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
渡辺英一郎,大井暁彦,簑原郁乃
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NM-601：電子ビーム描画装置 [ELS-F125]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
人工ナノ構造を用いた光学場の制御の手法として代表的なものにフォトニック結晶がある。薄いシリコン平板に小孔を三角格子状に配列したスラブ型Siフォトニック結晶が代表的な構造である。フォトニック結晶中の光波の波数-振動数の関係はいわゆるフォトニックバンドに従い、どの波数に対してもある振動数において第１～第２バンド間にバンドギャップが存在する「完全バンドギャップ」が実現できることから、フォトニック結晶中に設けた欠陥部は光共振器として機能し、光学場の強度を著しく増大する。同様の概念を金属表面の表面プラズモンポラリトンにあてはめたものをプラズモニック結晶という。典型的な構造は、金属薄膜表面に金属ナノ構造を三角格子状に配列したものであり、この様な表面において表面プラズモンモードの波数-振動数の関係はプラズモニックバンドに従う。特に、プラズモニック結晶においてもプラズモニックバンドギャップが形成されることから、バンドギャップを利用した表面プラズモン場の閉じ込め・光学場の増強が可能である。本研究では金属プラズモニック結晶を作製し、しかる後、プラズモニック結晶への光照射で励起される表面電磁場の空間分布をレーザー励起光電子顕微鏡で評価することを目的とする。
実験 / Experimental
以下の手順でプラズモニック結晶試料の作製を行った。プラズモニック結晶は、平坦な金(Au)薄膜の表面にAuナノ構造を三角格子配列したものとした。プラズモニック結晶のバンド構造・プラズモニックバンドギャップは、格子定数、格子点の形状・大きさに依存して変化する。まず、ナノ構造の３次元的な構造の効果を定量的に評価するため、有限時間領域差分（FDTD）法による数値計算を行い、プラズモニックバンドの構造を導出した。試料の基板にはシリコンウェハーをカットして用いた。NM-609 電子銃型蒸着装置でAu/Cr薄膜を形成し、取り出したのち電子線レジストを塗布し、NM-601 電子ビーム描画装置で格子点パターンを描画した。現像ののち、再度NM-609 電子銃型蒸着装置でAu蒸着、リフトオフを行い、試料を完成させた。
結果と考察 / Results and Discussion
作製したプラズモニック結晶に対し、波長可変フェムト秒レーザー励起光電子顕微鏡（fs-PEEM）を用い表面電磁場分布の評価を行った。励起光波長を変化させながらPEEM像の取得を行った。PEEM像の信号強度には明瞭な波長依存性が観察され、ごく狭い波長範囲で顕著な強度の増大が観察された。格子定数を系統的に変化させた試料に対し順次fs-PEEM観察を行い、プラズモニックバンド構造の数値計算結果と比較を行った結果、励起光エネルギーがプラズモニックバンド端に一致するときにPEEM信号強度が増強される関係性が見出された。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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)
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Naoki Ichiji, Exciting space-time surface plasmon polaritons by irradiating a nanoslit structure, Journal of the Optical Society of America A, 41, 396(2024).
DOI: https://doi.org/10.1364/JOSAA.508044
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Naoki Ichiji, Transverse spin angular momentum of a space-time surface plasmon polariton wave packet, Physical Review A, 107, (2023).
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.107.063517
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 久保 敦, "光の局在性・構造化・スピン" 第8回数理物質系学際セミナー（つくば）, 2024年1月25日
- 久保 敦, "ストラクチャード・表面プラズモン波束" 「キラル光物質科学」領域会議 （仙台）, 2023年12月4日-5日
- 久保 敦, "ストラクチャード・プラズモン：光の波面整形と表面プラズモンへの転写" 第25回プラズモニック化学シンポジウム（東京）, 2023年12月4日-5日
- 久保 敦, 伊知地 直樹, 大上 能悟, Murat Yessenov, Kenneth L. Schepler, Ayman F. Abouraddy, "Transverse spin angular momentum of space-time surface plasmon polaritons" 第84回応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-Optica Joint Symposia 2023（熊本）, 2023年9月19日-23日
- 久保 敦, "Spin angular momentum and topological property of femtosecond structured surface plasmon polariton" ICP 2023, The 31st International Conference on Photonchemistry (Hokkaido), 2023年7月23日-28日
- 久保 敦, "構造化表面プラズモン波のスピン角運動量とトポロジカルチャージ" トポロジー領域CREST-さきがけ合同セミナー（つくば）, 2023年5月30日
- 菊池 陽々紀, 伊知地 直樹, 久保 敦, Murat Yessenov, Kenneth L. Schepler, Ayman F. Abouraddy, "Space-time 表面プラズモンポラリトンの時間分解観察" トポロジー領域CREST-さきがけ合同セミナー（つくば）, 2023年5月30日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件