共同研究報告書

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なおちかかんざとばる
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1 ( 様式 4) 二国間交流事業共同研究報告書平成 27 年 8 月 28 日独立行政法人日本学術振興会理事長殿共同研究代表者所属部局福井大学遠赤外領域開発研究センター ( ふりがな ) たにまさひこ職氏名教授谷正彦 1. 事業名相手国との共同研究振興会対応機関 ( OP ) 2. 研究課題名強誘電体材料を用いた超高感度 THz 波検出のための EO サンプリング検出素子の研究 3. 全採用期間平成 25 年 8 月 1 日 ~ 平成 27 年 7 月 31 日 ( 2 年 0 ヶ月 ) 4. 経費総額 (1) 本事業により執行した研究経費総額 4,909,775 円初年度経費 1,899,775 円 2 年度経費 2,200,000 円 3 年度経費 810,000 円 (2) 本事業経費以外の国内における研究経費総額 800,000 円 5. 研究組織 (1) 日本側参加者 ( 代表者は除く ) 山本晃司氏名所属職名福井大学遠赤外領域開発研究センター准教授 NIEHUES Gudrun 福井大学遠赤外領域開発研究センター研究員 FUNKNER Stefan 福井大学遠赤外領域開発研究センター研究員古屋岳福井大学遠赤外領域開発研究センター技術員都築聡福井大学遠赤外領域開発研究センター ( 工学研究科 ) 博士後期課程北原英明 (H27 年度 ) 福井大学遠赤外領域開発研究センター特命助教 (2) 相手国側研究代表者所属職名氏名 National Institute of Materials Physics, Senior Scientific Researcher 1st degree, Gabriel Marian BANCIU (3) 相手国参加者 ( 代表者は除く ) 氏名所属職名 - 1 -

2 Liviu NEDELCU National Institute of Materials Physics, Senior Lucian GHEORGHE (H27) National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics, Senior Lucian TRUPINA National Institute of Materials Physics, Post-doc Gheorghe IORDACHE National Institute of Materials Physics, Senior Aurel-Mihai VLAICU National Institute of Materials Physics, Senior Camelia FLORICA National Institute of Materials Physics, Ph.D. Student - 2 -

3 6. 研究実績概要 ( 全期間を通じた研究の目的研究計画の実施状況成果等の概要を簡潔に記載してください ) < 研究の目的 > 本研究の目的は, 日本側研究グループが独自に開発したチェレンコフ位相整合電気光学サンプリング (EOS) 法に, ルーマニア側研究グループが創製する高い非線形光学係数を持つ BaTiO 3 などの強誘電物質を電気光学 (EO) 素子として用いて, テラヘルツ (THz) 波検出用の超高感度 EO サンプリングセンサーを実現することである現在 THz 波検出用の EO サンプリング素子として用いられている非線形光学素子の電気光学係数は数 pm/v 程度である例えばもっとも効率が良いとされる ZnTe で r 41 = 4.3 pm/v である強誘電体材料のなかにはチタン酸バリウム (BaTiO 3 ) のように巨大な電気光学係数を持つものがある (r 42 = 1640 pm/v) にも関わらず, 強誘電性材料がこれまで THz 波検出用の EO サンプリング素子として用いられてこなかった理由は,THz 帯での吸収と複屈折性が強いためである ( 強誘電性材料はほぼ例外なく複屈折性を持つ ) 日本側研究グループでは,THz 帯での吸収と複屈折性がある非線形を利用することが可能な,Cherenkov 位相整合ヘテロダイン EO サンプリング法を開発したすでに強誘電体の 1 種である LiNbO 3 ( r 33 = 31 pm/v, 一軸性 ) を用いて, 高効率な THz 波の EO サンプリング検出が可能なことを実証しているしかしながら, 日本側研究者は強誘電性材料の作製や加工は得意ではない一方, ルーマニア側研究グループは BaTiO 3 を含む各種の強誘電性材料を創製し加工する技術を持っているそこで, 両者が協力することで, 強誘電体材料を用いたテラヘルツ (THz) 波検出用の超高感度 EO サンプリングセンサーを実現することが可能になる本共同研究プロジェクトは若手研究者が実質的な実施者となるため, 両国間の研究交流, 共同研究推進を通じて, 国際的な見識と経験を持った若手研究者の養成に資することができる < 実施状況 > 目標達成のためには, まず EO サンプリングに適した, 大きな電気光学係数を持ち,THz 帯吸収が少なく, かつ微細加工に適したを得ることが重要であるこのためまず初年度は BaTiO 3 をはじめとする各種強誘電体材料の特性調査と評価を中心に研究を進めた BaTiO 3 ( 以下 BTO) は THz 帯での吸収が極めて強く,EO サンプリング素子にはあまり適さない BTO の Ba を一部 Sr に置換した Ba (1-x) Sr (x) TiO 3 (0<x<1) ( 以下 BST) は Sr の置換量により, その屈折率と吸収を制御することができる BST は Sr 置換量に応じて THz 帯の吸収が変化することが予想されるが,Sr 置換量に応じた THz 吸収が実測されていないそこで,Sr 置換量を調製し EO サンプリングに最適な組成を探る必要があったそのためまず H25 年度にルーマニアの研究グループが手始めに Ba(1-x)Sr(x)TiO3 (x=40%) の組成の薄膜試料を (100)MgO 基板 ( 基板厚さ 0.5 mm) 上に製作し, ルーマニア側研究代表者の Banciu 博士が H26 年の 2 月 ~3 月に日本を訪問し, その際に試料を持ち込み, これを日本研究グループがテラヘルツ時間領域分光法で測定, 評価したこのときの測定では Sr 組成 40% の BST 薄膜は BTO よりも THz 帯吸収が小さいことが確認できたが, 電気光学係数が小さくなることが予想された - 3 -

このため BTO と同等の電気光学係数を保ちつつ,THz 吸収を少し低減させるため H26 年度は Sr 組成 10% のをルーマニア側が試作した ( 図 1 の写真参照 ) このを評価するために, 日本側の研究代表者の谷と研究参加者の古屋が H27 年 3 月中下旬にかけてルーマニア側の研究施設 (National Institute of Material Physics)

4 このため BTO と同等の電気光学係数を保ちつつ,THz 吸収を少し低減させるため H26 年度は Sr 組成 10% のをルーマニア側が試作した ( 図 1 の写真参照 ) このを評価するために, 日本側の研究代表者の谷と研究参加者の古屋が H27 年 3 月中下旬にかけてルーマニア側の研究施設 (National Institute of Material Physics) を訪問した MgO 基板上に作成した薄膜の評価ではなく,BST の図 1. ルーマニア NIMP の研究グループが試作した Ba(1-x)Sr(x)TiO 3 (x=10%) の外観写真評価の際には i) 方位を X 線回折で特定し, ii) バルクを特定の方位に沿って薄くカ (a) ットする必要がある谷と古屋が H27 年 3 月にルーマニア訪問した際に, i) の作業を行 10-5 った ii) の作業は谷と古屋が帰国後に行われ 8 BaTiO た 6 3 LiNbO 一方,BST と比較するために参照用の 4 3 BTO も準備し,BTO による Cherenkov 2 位相整合 EO サンプリング実験を当該年度に実 0-2 施した BTO は先に述べたように, 正常光 ( の z 軸 =c 軸に対して電界の振動が垂 -4 直となる偏光 ) に対して巨大な電気光学係数 r 42 = 1640 [pm/v] を持つこのため当初正常 Time(ps) (b) 光 THz 波を BTO に入射させ EO サンプリング実験を行ったが,THz 波信号を検出すること 1 ができなかったこれは BTO の正常光に BaTiO 3 LiNbO 3 対する THz 帯吸収が強すぎるためと考えられたこのため, 異常光に対応する電気光学係数 r 33 = 97 [pm/v] を利用して EO サンプリング実験を行うことにしたこの電気光学係数は LN の電気光学係数 r 33 = 31 [pm/v] と比較して, 約 3 倍であり,THz 帯の吸収が LN 1E-3 と同等であれば,LN よりも高効率な THz 波の EO サンプリング検出が期待できる異常 Frequency(THz) 図 2. BaTiO3 および LiNbO3 による THz 光 THz 波に対する BTO による EO サンプリング波の (a) 時間波形, およびそれをフーリエ変換しは, ピーク信号強度で約 40%, 検出帯域が約た (b) 振幅スペクトル 40%(LN の場合が約 2THz,BTO の場合が約 0.8THz) という結果が得られた ( 図 2(a) および 2(b) 参照 ) BTO を用いて, 信号検出感度と帯域ともに LN より劣る結果が得られたのは, 異常光に対しても BTO の THz 帯吸収が強いことが原因と考えられる H27 年度に入って, 試作した BST (Sr=10%, c 軸が面内平行 ) のカット ( 先に述べた ii) の作業 ) とそれ I/I Normalized FFT amplitude spectra(a.u.) - 4 -

5 を用いた EO サンプリングによる評価を行った ST (Sr=10%) を約 30µm の厚さに研磨しこれを約 0.5mm 厚の Si の支持基板に接着 ( 接着剤 Loctite) させた状態で透過率を測定した試料サイズが小さいため試料の前に直径 3mm のアイリスを置き試料に照射されるテラヘルツ波ビームを制限した ( この結果測定の信号対雑音比は通常測定よりも低下した ) この測定の結果試料の 1THz 帯での吸収係数は約 40,000[cm -1 ] と見積もられたこの吸収係数は予想された値よりもかなり大きく, この試料は残念ながら EO サンプリングには適さないことが分かった今後, なぜ BST の吸収が BTO よりも大きくなったのか, その原因解明と, 新たな Sr 組成の BST の作製を行う予定である (H27 年 7 月に谷がルーマニアの研究グループを訪問した際に, 今後の研究計画について議論した ) 一方,BTO については, 吸収を低減することができれば高感度な EO サンプリング素子として動作することが分かったので, 今後, 吸収の影響を低減するため, スラブ導波路構造を試作し,BTO 強誘電体による THz 波の EO サンプリング検出の高効率化を図る - 5 -

6 7. 派遣受入実績 (1) 全研究期間中に相手国または相手国以外の国を訪問した日本側参加者氏名派遣期間主たる訪問先 ( 年度毎に並べ相手国以外の国における訪問先には下線を引き国名を明記してください ) 氏名期間 ( 現地到着日 ~ 現地出発日 ) 主たる訪問先平成 25 年度谷正彦福井大学遠赤外領域開発研究センター古屋岳福井大学遠赤外領域開発研究センター平成 25 年 12 月 26 日 ~ 平成 26 年 1 月 2 日平成 25 年 9 月 29 日 ~ 10 月 11 日平成 26 年度古屋岳福井大学遠赤外領域開発研究センター谷正彦福井大学遠赤外領域開発研究センター古屋岳福井大学遠赤外領域開発研究センター平成 26 年 6 月 28 日 ~ 7 月 11 日平成 27 年 3 月 15 日 ~ 3 月 23 日平成 27 年 3 月 15 日 ~ 3 月 23 日平成 27 年度谷正彦福井大学遠赤外領域開発研究センター谷正彦福井大学遠赤外領域開発研究センター谷正彦福井大学遠赤外領域開発研究センター計 8 名 ( 延べ人数 ) 平成 27 年 6 月 27 日 ~ 7 月 1 日平成 27 年 7 月 3 日 ~ 7 月 6 日平成 27 年 7 月 7 日 ~ 7 月 12 日計 68 日 Omni Parker House Hotel ( アメリカ合衆国 ) カールスルーエ工科大学 ( ドイツ ) (2) 全研究期間中に受け入れた相手国参加者氏名来日期間主たる訪問先 ( 年度毎に並べ振興会から滞在費等の支給を受けた研究者に * 印をつけてください ) 氏名期間 ( 来日日 ~ 離日日 ) 主たる訪問先 - 6 -

7 平成 25 年度 Gabriel M. Banciu 平成 26 年 2 月 26 日 ~ 3 月 13 日福井大学遠赤外領域開発研究センター平成 26 年度該当なし平成 27 年度該当なし計 1 名 ( 延べ人数 ) 計 16 日 - 7 -

(3) 相手国参加者 ( 実施期間中の参加者全員 ( 途中から参加 / 不参加となった方も含む )) 途中から参加 / 不参加となった場合は参加期間も記入してください氏名所属職名 Szilveszter Kovacs Adam Miklosi Marta Gacsi Peter Tamas D

(3) 相手国参加者 ( 実施期間中の参加者全員 ( 途中から参加 / 不参加となった方も含む )) 途中から参加 / 不参加となった場合は参加期間も記入してください氏名所属職名 Szilveszter Kovacs Adam Miklosi Marta Gacsi Peter Tamas D ( 様式 4) 二国間交流事業共同研究報告書平成 29 年 4 月 18 日独立行政法人日本学術振興会理事長殿共同研究代表者所属部局中央大学理工学部 ( ふりがな ) はしもとひでき職氏名教授橋本秀紀 1. 事業名相手国 ( ハンガリー ) との共同研究振興会対応機関 ( HAS ) 2. 研究課題名空間知能化による動物行動学に基づく生活空間におけるコミュニケーションモデルの展