【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.14】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23NM0033

利用課題名 / Title

金属と誘電体ナノ構造の作製と光学特性

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）計測・分析/Advanced Characterization

【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）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

メタマテリアル/ Metamaterial,リソグラフィ/ Lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching

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)

村井 俊介

所属名 / Affiliation

京都大学大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

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

NM-617：ICP-RIE装置 [RV-APS-SE]
NM-614：CCP-RIE装置 [RIE-200NL]
NM-615：ICP-RIE装置 [RIE-101iPH]

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

アップコンバージョン発光 (UCL) のフォトニック応用では、ランタニドイオンがドープされた UCL ナノ粒子 (UCNP) の吸収断面積が小さいため、外部量子収率が低いことがボトルネックです。この点において、強力な電場増強を通じてUCL強度を増強するプラズモニックナノ構造が提案されている。ただし、それらの固有のオーム損失により、非放射減衰が起き、UCL強度が低下します。本研究では、誘電体メタ表面がこの欠点を克服できることを実証します。アモルファスシリコンナノディスクの周期的配列は、UCNPの層が自己組織化されるメタ表面として機能します。メタ表面によってサポートされる鋭い共鳴は、UCNP の吸収波長 (λ = 980 nm) と重なり、UCNP を励起し、その結果 UCL 強度が増大します。メタサーフェスの急速熱アニーリング (RTA) を通じて共振をさらに鋭くし、シリコンを結晶化して固有の光損失を低減します。 RTA 条件 (N₂ /H₂ (3 vol %) 雰囲気中、1000 °C、20 分間) を最適化することにより、共振品質係数（Q値）が 17.2 から 32.9 に向上し、それに伴って UCL 強度の増強が86倍から600倍以上に向上しました。

実験 / Experimental

スパッタリング法（E1100、キヤノンアネルバ社）により、 SiO_２ガラス基板上に厚さ120 nmのアモルファスSi層を堆積した。レジストをSi膜上にキャストし、電子ビームリソグラフィを行った後、Si膜上にレジストのナノディスクアレイを現像した。Si膜は、SF₆およびC₄F₈ガスを用いた選択的ドライエッチング（ボッシュプロセス）によって垂直にエッチングされた。レジスト残渣をドライエッチングによりエッチング除去した。RTA 炉 (MILA-5050、ADVANCE RIKO、日本) を使用して、メタ表面試料をＮ₂／Ｈ₂（３vol％）雰囲気で２０分間、ハロゲンランプを使用して高速 (約 20 ℃/秒) で 500 ～ 1000 ℃ まで加熱した。積分球検出器を備えた分光計 (V-770、日本分光株式会社、日本) を使用して、サンプルの紫外-可視-近赤外透過スペクトルを測定しました。試料の UCL 特性は、980 nm CW ダイオード レーザーを備えた分光計 (Fluorolog-3、堀場製作所、日本) を使用して測定しました。対物レンズを介してレーザビームをサンプルに照射し、分光計を使用してアップコンバージョン発光を観察しました。

結果と考察 / Results and Discussion

アモルファスSiメタ表面上に集合したNaGdF₄:Yb, Er @ NaYF₄ UCNPのUCL強度に対するRTAの影響を調査しました。 RTA は、光吸収の低減によりアモルファスSi メタ表面のQ値を効果的に改善し、共鳴時の局所的な電磁場の蓄積を増加させます。共鳴をλ = 980 nm に調整することで Yb³⁺の遷移を促進し、平らなガラス上の同じ UCNP 層と比較して 600 倍を超える UCL 強度の非常に高い増加を達成しました。 RTA後のアモルファスSiメタ表面による光吸収が低下するため、ポンプ照射中のサンプルの加熱が抑制されました。したがって、サンプルは高出力照射 (1.3 W mm ^–2 )でも高い UCL 増強を示しました。

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)

1. Yuan Gao, Enhancing Up-Conversion Luminescence Using Dielectric Metasurfaces: Role of the Quality Factor of Resonance at a Pumping Wavelength, ACS Applied Materials & Interfaces, 15, 45960-45969(2023).
   DOI: doi/10.1021/acsami.3c06877
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. ２０２４年第７１回応用物理学会春季学術講演会（３月２２～２５＠東京都市大学世田谷キャンパス＆オンライン）24p-11F-9 C000210⾦属および誘電体ナノ粒⼦アレイによるアップコンバージョン蛍光強度の増強　⾼ 源1, 2, 〇村井 俊介2, ⽥中 勝久2 1.昆明学院, 2.京⼤院⼯

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