ナノの開発と解析

Jun 20, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13387 (2023) この記事を引用

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社会のスマート化に伴い、可視・近赤外領域を活用した高度な光センシング・イメージング技術が普及してきました。 広帯域の電磁波に利用可能なワイヤーグリッド偏光子は、このような光学システムの信号対雑音比を改善し、より高度な物体検出と分析を可能にするのに効果的です。 しかし、身近な製品に実装するには、高性能な光学機能を維持しながら、低コストの製造方法を開発する必要があります。 これらの要求に応えるため、ワイヤーグリッド偏光子の形状解析を行い、汎用の製造装置で作製可能なナノ三角波構造のワイヤーグリッド偏光子を設計・開発しました。 型が準備されると、この偏光子は、ナノインプリンティングおよび垂直角度による金属蒸着または無電解メッキプロセスによって製造できます。 無電解Niめっきにより作製した偏光板は、同じ周期の長方形構造体に無電解Niめっきを行った従来の研究に比べて約1.4倍の透過率40％を達成した。 また、直角Al蒸着による偏光子は可視光から近赤外までの幅広い波長域で動作し、波長550nmで偏光消光比24dB、透過率81%という高透過率を実現しています。 従来の長方形構造のワイヤーグリッド偏光子の製造に用いられていた斜角蒸着法に対し、直角蒸着法により汎用の装置を用いて高性能の偏光板が得られるため、コスト削減と製造性の向上に貢献します。

偏光子は、光学センシングや光学イメージングなどの光学技術で使用される重要な光学要素です。 今後、スマート社会の構築に伴い、偏光板の需要はさらに増加すると考えられます。 可視光から近赤外光を利用した用途はディスプレイに限定されません。 近年では、自動運転用の光検出および測距システム1、2、3、4、ロボット5、6、スマートフォン7、生体イメージングシステム8、9、10、およびセキュリティシステム11、12に使用されています。 その結果、偏光子の研究開発は大きく進展し、メタマテリアル偏光子13,14、カーボンナノチューブ偏光子15,16,17、多層偏光子18,19が登場し、提案・実証されている。 現在市場にあるほとんどの偏光子は二色性染料ベースの偏光子です。 機能波長の範囲を広げることは困難であり、近赤外領域における偏光子の選択は限られています 20,21。 ワイヤーグリッド偏光子（WGP）は、サブ波長異方性構造の形状や材質を制御することで、可視光から近赤外領域までの広帯域の波長にわたって高性能を発揮するため、有力な候補です。

ただし、一般的な WGP は製造コストが高いため、その用途が制限されます。 今後、さまざまな光学系に採用されるためには、低コストの製造方法が必要となる。 必要なサブ波長を備えた金属構造を製造するための、よりオーソドックスなアプローチは、電子ビーム リソグラフィーと Al エッチングを使用することです。 代替アプローチとして、電子ビームリソグラフィーの代わりに干渉露光 22 やナノインプリンティング 23,24 を使用する方法が報告されています。 ナノインプリント法は、ナノ構造の形成方法の中でも比較的安価なモールドによる形成方法です。 その後、斜角蒸着 25,26,27 や視角蒸着 28,29 など、Al エッチングを必要としないナノインプリントプロセスをベースとしたさまざまな方法が報告されています。 不要な金属部分を除去する必要がないため、製造工程が短縮され、生産性が向上する。 しかし、斜角蒸着には特殊な装置が必要であり、蒸着角度の要求精度も高いため、汎用の装置で製造可能な直角真空蒸着を用いたWGPがいくつか報告されている30,31,32,33。 34、35。 さらに、真空蒸着法を利用しない溶液プロセスによって製造されたWGPも報告されています36、37、38、39。 ただし、真空蒸着法で作製したWGPに比べて性能は劣ります。 したがって、次世代アプリケーションに実装するための、低コストで高性能の WGP の研究開発に新たな関心が集まっています。 この技術の実現は、高度な光センシングや画像処理システムの普及に貢献し、より安心・安全なスマート社会の実現に大きく貢献することが期待されます。