【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.07.05】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23OS1045
利用課題名 / Title
シリコンメタサーフェスによる光制御素子
利用した実施機関 / Support Institute
大阪大学 / Osaka Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by 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）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）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
グラフェン,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,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,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,原子薄膜/ Atomic thin film,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)
高原 淳一
所属名 / Affiliation
大阪大学 大学院工学研究科 物理学系専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
Chen Dingwei,宮田孝太朗,宮野裕貴,新開誠也
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）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
OS-103：超高精細電子ビームリソグラフィー装置
OS-115：RFスパッタ成膜装置（絶縁体成膜用）
OS-117：EB蒸着装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
単層グラフェンは高いキャリア移動度や特殊なバンド構造を持つ二次元材料であり、超高速の光検出器や光変調器への応用が期待される。しかし、単層グラフェンの吸収率は約2.3%と低く、光デバイス応用において問題である。これに対して近年、メタサーフェスを用いて光相互作用を増強させるアプローチが注目を集めている[1]。鏡面対称性を持つメタサーフェスでは、２つの縮退モードで同時に材料損失と放射損失を一致させて縮退臨界結合の条件を満たすと完全吸収体を実現できることが知られている。 本研究では、シリコンメタサーフェス上に単層グラフェンを担持させることにより、光通信波長帯において単層グラフェンを完全吸収体とすることを目的とする。縮退臨界結合を実現するためには、放射損失の小さいToroidal Electric Dipole (TED) モードを高効率で励起できる中空型直方体ミー共振器メタ原子とする必要があるので、本研究ではこれを作製する。
実験 / Experimental
SOQ（Silicon On Quartz）基板上の単結晶シリコンを用いて、RFスパッタ成膜装置とEB蒸着装置で成膜したCr薄膜をマスクとして、電子ビーム露光とドライエッチングにより中空型直方体型ミー共振器をメタ原子とするシリコンメタサーフェスを作製した。このメタサーフェス上に単層グラフェンとhBNを転写した。本デバイスの近赤外における反射、吸収スペクトルの計測を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
中空型直方体型ミー共振器をメタ原子とするシリコンメタサーフェスの反射スペクトルからミー共振に由来する反射ピークが観測された。これによりミー共振器が設計どおり作製されたことが確認できた。また、ラマン分光によりメタサーフェス上に転写したグラフェン部分から単層グラフェン由来のラマンピークが観測された。このため単層グラフェンのシリコンメタサーフェス上の転写に成功したといえる。まだ、近赤外域(1.55μm)における完全吸収体(図）の実現には至っていない。これは単層グラフェンとメタサーフェスの密着性が悪いためと考えられ、今後はアニール処理などの最適化により密着性を向上させる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
シリコンメタサーフェス上の単層グラフェン完全吸収体
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[1] Rongyang Xu, Junichi Fujikata, and Junichi Takahara, "Graphene perfect absorber based on degenerate critical coupling of toroidal mode," Opt. Lett. 48(6), 1490-1493 (2023) . https://doi.org/10.1364/OL.483486
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.
- 宮田孝太郎、Rongyang Xu、岩崎拓哉、佐藤遥大、森山悟士、渡辺賢司、谷口尚、藤方潤一、高原淳一、”埋め込み型シリコンメタサーフェス上への単層グラフェンの作製と光学特性”、Optics & Photonics Japan 2023、28pBS4（北海道大学）2023年11月28日.
- 宮野裕貴, 大塚節文, 江畑恵司, 髙原 淳一、”Geミー共振器メタサーフェスに基づく狭帯域完全吸収体の設計と作製”、Optics & Photonics Japan 2023 29aE4（北海道大学）2023年11月29日.
- Seiya Shinkai and Junichi Takahara, "Design of all-optical switching using quadrupole in silicon metasurface"、Photonic Device Workshop (PDW) 2023, 2023年12月7日（東京、機械振興会館）P-6.
- Kotaro Miyata and Junichi Takahara, "Hollow silicon metasurfaces for monolayer graphene perfect absorber in near-infrared region"、Photonic Device Workshop (PDW) 2023, 2023年12月7日（東京、機械振興会館）P-15.
- 宮田孝太郎、橋本将希、岩崎拓哉、渡辺賢司、谷口尚、藤方潤一、高原淳一、"単層グラフェンを用いた中空型シリコンメタサーフェス完全吸収体”、第71回応用物理学会春季学術講演会 24p-11F-8（東京）2024年3月24日.
- 新開誠也、高原淳一、”楕円型シリコンメタサーフェスにおける四重極子を用いた熱光学効果による反射スペクトル制御”、第84回応用物理学会秋季学術講演会 23p-A309-7（熊本城ホール）2023年9月23日.
- Dingwei Chen, Junichi Takahara, "Absorption enhancement of WS2 with all-dielectric metasurface based on Mie resonance and degenerate critical coupling", JSAP-OSA Joint Symposia 2023, The 84th JSAP Autumn Meeting 2023, (Kumamoto Castle Hall) 20a-A602-4, 2023.9.20.
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