課題番号 ：S-16-OS-0036
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：ナノメカニクスによるメタ表面の動的制御
Program Title (English)　：Dynamic Control of Metasurface by Nanomechanics
利用者名（日本語） ：高原淳一
Username (English) ：Junichi Takahara
所属名（日本語） ：大阪大学, 大学院工学研究科, 精密科学・応用物理学専攻
Affiliation (English) ：Dep. Applied Physics, Grad. School of Eng., Osaka University

１．概要（Summary）
メタマテリアル（metamaterial）とはメタ原子とよばれる多数の人工的な構造体から構成された光学的な3次元有効媒質のことである。メタ表面（metasurface）は2次元のメタマテリアルのことをいい、基板表面に人工的なナノ構造アレイを形成することにより、物質からの光の反射、吸収、透過などを制御する技術である。従来のメタ表面は微細加工技術により構造を作ることはできても、その構造は固定され、光学特性を動的に動かすことは困難であった。
2010年代以降、メタ表面研究の進展により液晶や半導体材料を取り入れて、電気的にメタ原子構造中の屈折率を変化させることにより、光学特性を変調する研究がすすみ、アクティブ・メタマテリアル（active metamaterial）と名付けられて注目を集めている。メタ表面の動的な制御方法として、ナノメカニクスにより構造を機械的に動かす方法もすでに報告がある。しかし、光学特性に及ぼす効果は小さく限定的であった。
本課題はナノメカニクスを用いた新しい制御方法により、メタ表面の散乱スペクトルを大きく変調することを目的とする。具体的には、金属基板とその上に浮かせた金属細線を形成し、電圧印加によって金属・空気・金属ナノギャップ構造のギャップ間距離を変化させることにより、ギャップ表面プラズモンの等価屈折率を大きく変化させ、散乱スペクトルを制御する方法を試みる。
２．実験（Experimental）
【利用した主な装置】
高精細電子線リソグラフィー装置
電子ビームリソグラフィー装置
RFスパッタ装置（SVC-700LRF）
【実験方法】
はじめに、ピック&プレイス法（pick & place method）とよばれる研究室で開発した独自の方法により、Fig. 1に示す金ナノブリッジを作製した。ここで金ナノブリッジは基板上に約250 nmの高さに浮遊させている。ピック&プレイス法は蒸着により作製した金細線を、タングステンプローブを用いて所定の場所に移動させて置き、集束イオンビーム（FIB）堆積法を用いてタングステンを堆積させ、基板上に固定する方法である。
はじめに金/アルミナ膜を堆積させたSiO2基板上に、段差を形成した。その段差の上から膜厚150 nmの金薄膜からピック&プレイス法で切り出した１本の金属細線（幅500 nm）を配置し、FIB堆積法により固定して、Fig. 1に示す金ナノブリッジを作製した。ナノブリッジは金属・空気・金属（Metal-Air-Metal: MAM）ナノギャップ構造とみなすことができる。
MAM構造に電圧を印加しながら、ナノブリッジ中央部分の光散乱特性について実験的に調べた。測定は光学顕微鏡下で白色光（ハロゲンランプ）を対物レンズ（100倍，NA=0.9）によりナノブリッジに集光し、ブリッジの各部分からの散乱スペクトルを分光計測している。
Fig. 1 SEM image of a gold nanobridge suspended on a gold substrate. Thin alumina layer is formed on the substrate for insulation.
３．結果と考察（Results and Discussion）
Fig. 2に光学顕微鏡下での暗視野像を示す。電圧を印加しない場合と比較して、電圧を印加すると散乱スペクトルが変化する様子が観測され、電圧が13.0(V)のときは赤色を示した。これはナノギャップ距離の変化にともなって、MAM構造中の表面プラズモンの共振状態が変化するためであることが、シミュレーションとの比較からわかっている。印加電圧が13.1(V)の場合、散乱色は緑色に大きく変化することがわかる。これはMEMS分野で知られるプルイン効果のためである。このようにMAM構造のギャップ間距離を変化させることにより、ギャップ表面プラズモンの等価屈折率を大きく変化させ、散乱スペクトルを制御することに成功した。
Fig. 2 The dark field microscope image of scattering light from the nanobridges under applied gate voltages at 0, 13.0, 13.1(V). (Inset) Schematic view of MAM structures.

本結果は単一のMAM構造を用いたものであるが、これをアレイ化するとアクティブ・メタ表面となる。そのためにはピック&プレイス法ではなく、通常の微細加工プロセスによりナノブリッジを作製することが必要である。我々はドライエッチング法によるMAM構造の作製を試み成功している。今後は本構造をアレイ化することで、大きな光変調効果をもつアクティブ・メタ表面の実現を目指す。

４．その他・特記事項（Others）
・関連する課題番号：F-16-OS-0024
５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
【論文】
1) Masashi Miyata, Akira Kaijima, Yusuke Nagasaki, and Junichi Takahara, “Electromagnetically Tunable Plasmonic Nanowires Operating in Visible Wavelengths”, ACS Photonics 3, No. 12, 2268-2274 (2016).
2) J. Takahara, T. Liu, H. Hatada, Y. Nagasaki, M. Miyata and A. Kaijima, “Passive and active metasurface based on metal-insulator-metal structures”, Plasmonics II, Proceedings of SPIE 10028, 1002805-1-7 (2016).
3) Masashi Miyata, Hideaki Hatada, and Junichi Takahara, “Full-Color Subwavelength Printing with Gap-Plasmonic Optical Antennas”, Nano Lett. 16, 3166-3172 (2016).
【学会発表】
1) Junichi Takahara, Tianji Liu, Hideaki Hatada, Yusuke Nagasaki, Masashi Miyata and Akira Kaijima, “Passive and active metasurface based on metal-insulator-metal structures”, SPIE/COS Photonics Asia 2016, Plasmonics II, 10028-4, Beijin, China, 12 October (2016). (Invited Paper)
2) Junichi Takahara, Akira Kaijima, Yusuke Nagasaki and Masashi Miyata, “Control of Gap Plasmon Resonance in a Suspended Nanowire by Eelectrostatic Force”, The 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META’16), Malaga, Spain, 26 July (2016). (Invited talk)
3) J. Takahara, M. Miyata and H. Kaijima, “Nano-Electromechanically Tubnable Plasmonic Resonator”, IEEE-NEMS 2016, C1L-E-1(#1121), Hotel Matsushima Taikanoso, Miyagi, 20 March (2016). (Invited Talk)
4) J. Takahara, “Metal-Air-Metal Nanocavity in a Slanted Plasmonic Nanowire Suspended on a Metal Substrate”, The 9th International Conference on Nanophotonics (ICNP2016), Taipei, Taiwan, IN-23, 24 March (2016). (Invited Talk)
６．関連特許（Patent）
なし