令和6年度 若手研究者学長表彰 研究成果報告
报告者
大学院社会产业理工学研究部 助教 高岛祐介
大学院社会産業理工学研究部 教授 直井美貴
- Y. Takashima, K. Nagamatsu, M. Haraguchi and Y. Naoi: Dynamic wide gamut color generation using highly lossy metal-based metal-dielectric-metal structure, Appl. Phys. Express Vol.17, 072005, 2024.
- Y. Takashima, S. Furuta, K. Nagamatsu, M. Haraguchi and Y. Naoi: Broadband Ag/SiO2/Fe/TiO2 ultrathin planar absorber with a wide acceptance angle from visible to near-infrared regions, Opt. Mater. Express Vol.14, 778, 2024.
- Y. Takashima, K. Nagamatsu, M. Haraguchi and Y. Naoi: Ultra-thin deep ultraviolet perfect absorber using an Al/TiO2/AlN system, Opt. Express Vol.30, 44229, 2022.
- Y. Takashima, K. Moriiwa, M. Haraguchi and Y. Naoi: Optical detection for magnetic field using Ni-subwavelength grating on SiO2/thin-film Ag/glass structure, Sci. Rep. Vol.10, 19298, 2020.
- Y. Takashima, K. Kusaba, M. Haraguchi and Y. Naoi: Highly sensitive refractive index sensor using dual resonance in subwavelength grating/waveguide with normally incident optical geometry, IEEE Sens. J. Vol.19, 6147, 2019.
- Y. Takashima, M. Haraguchi and Y. Naoi: High-sensitivity refractive index sensor with normal incident geometry using a subwavelength grating operating near the ultraviolet wavelength, Sens. Actuators B: Chemical Vol.255, 1711, 2018.
- Y. Takashima, M. Tanabe, M. Haraguchi and Y. Naoi: Ultraviolet polarizer with a Ge subwavelength grating, Appl. Opt. Vol.56, 8224, 2017.
- Y. Takashima, M. Tanabe, M. Haraguchi and Y. Naoi: Highly polarized emission from a GaN-based ultraviolet light-emitting diode using a Si-subwavelength grating on a SiO2 underlayer, Opt. Commun. Vol.369, 38, 2016.
研究概要
我々の生活において、スマートフォン、デジタルカメラ、LED照明、光通信、太陽光発電など、”光”を利用した素子やデバイスは、数えきれないほどの場面で必要不可欠な存在になっています。これらの応用は、半導体や金属、誘電体といった様々な物質で生じる光の透過、屈折、反射、吸収等の現象を巧みに制御することで実現されています。しかし、さらなるデバイス高性能化や新奇な光技術の創出には、自然界に存在する材料だけでは限界があります。そこで本研究では、高い屈折率を持つ材料で構成されたナノ構造中(ナノ = 10-9 m)の特異な光現象に着目し、主に深紫外～赤外域での新奇な光デバイス開発を行っています。高屈折率な材料からなるナノ構造では、そのスケールが光波長よりも小さく、周囲と高い屈折率差を有することから、光と物質が相互に強く混ざり合います。このナノスケールに局在する光を利用することで、光の完全吸収、完全反射?完全透過等の自然界の材料には存在しない特異な性質を設計?発現することが可能になります。
図1(a)に本研究で実現した極めて薄い薄膜構造によって光をほぼ完全に吸収する構造の光学写真および電子顕微鏡像(断面)を示します。本構造は、Ag(85 nm)、SiO2 (70 nm)、Fe(13 nm)、TiO2(60 nm)の4層から構成される多層膜構造です。図1(b)に本構造の光吸収特性を示しており、波長400 nm～1100 nmの波長帯において平均吸収率94.8%、最大吸収率99.3% (波長850 nm)という高い吸収性能を持つことが分かります。また図1(b)中に本構造におけるエネルギーの流れを示しており、わずか13 nmの極めて薄いFe層に光が吸収されていることが分かります。本構造によって、光と熱、光と電気などの高効率発電などに寄与できると考えています。
また、高屈折率な材料を用いて作製した1次元のナノ构造によって、方向毎に光学的に异なる性质(异方性)が得られることを実証し、これを用いた高机能紫外光源の开発および动的な色の生成に成功しました。
図2(补)高屈折率材料である厂颈のナノ构造を表面に作製した紫外尝贰顿の概要図を示します。図2(产)に示すように厂颈ナノ构造の持つ大きな光学的异方性によって、ナノ构造に平行な电界の光は抑制され、垂直な光のみが発光しており、世界最高レベルの电界方向(偏光)が揃った紫外発光を実现しました。これによって新しい杀菌光源やセンシング用光源としての応用が期待できます。
さらに、図3(补)に示すような高屈折率な金属を用いた金属/诱电体/金属ナノ构造では、光の电界方向に依存し、様々な色を呈することが分かりました。図3(产)に示すような金属间に局在する光を利用することで、构造自体は同じでも电界の方向によって様々な色が発现しています(図3(肠))。これを利用することで、これまでに比べ格段に小さなナノサイズの画素の実现や超高分解能のイメージング素子へ展开が期待されます。
今后の展望（研究者からのコメント）
本手法によって、これまで自然界ではありえない光機能性やいくつかの光デバイスを開発することができ、研究の一部は、企業との共同研究にも発展しました。今後は、徳岛大学の強みの一つでもある医光連携等の光とバイオや光と熱の相互作用などの複数の異分野にまたがるブレークスルーを目指していきたいと考えています。
