Biomolecular sensing in all-dielectric metasurfaces with collective resonances

具有集体共振的全介电超表面中的生物分子传感

• 批准号: 22K20496
• 负责人: 渡邊 敬介
• 金额: $ 1.83万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-08-31 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20496/
• 关键词: メタサーフェス; BIC; シリコン; ナノギャップ; バイオセンサ; 強結合; 赤外分光; ナノ構造

本研究では、誘電体ナノ構造 (メタサーフェス) の周期性に起因する効果としてBound state in the continuum (BIC) と呼ばれる光の局在状態に着目し、高感度な生体分子センシング、赤外分光を実現することを目指している。従来このような目的のためには金属ナノ構造のプラズモン共鳴が用いられてきたが、その共鳴スペクトル形状は主に金属材料の吸収損失に制限され、応用上の障壁があった。全誘電体メタサーフェスは金属に比べ吸収ロスが小さく、Mie共鳴に基づくシャープなスペクトルを利用できるためセンシング用途として有望である。本年度は、シリコンベースのメタサーフェスにおいて、周期ナノ構造の個々のユニット構造の対称性を破ることで得られる準BICモードを用いた(1)屈折率センシング特性、(2)分子振動との結合特性の評価を行い、いずれにおいても提案構造がセンシングに有用であることを見出した。特に(1)においてはBIC起因する共鳴効果 (=シャープなスペクトル) とナノギャップの効果 (=光と物質の相互作用増大) を組み合わせることで、これまでに実現されてきた誘電体メタサーフェスの中で最大の性能指数を実現した。(2)においてはメタサーフェスの共鳴モードと中赤外域での分子振動の結合条件が、周期ナノ構造に与える非対称量に応じて容易に変えることができること、さらに分子振動の表面増強効果が最大となる非対称量が存在することを見出した。以上の結果から、準BICモードを利用した誘電体メタサーフェスが分子センシングにおいて有用であることを示した。

This study is about the cause and effect of the dielectric structure (メタサーフェス) and its periodicity Bound state in the continuum (BIC) The high-sensitivity biological molecules are in the state of the eye, and the infrared spectroscopy is the current state of the eye.従来このようなpurposeのためにはmetalナノstructuralのプラズモンが用いられてきたが、そThe resonance shape is mainly due to the metal material's absorption loss limitation, and the barrier is used. All-Electroelectric Materials Metal Materials Absorption Materials Small Materials and Mie Resonance Materialsくシャープなスペクトルをutilizationできるためセンシングpurposeとして好である. This year's は、シリコンベースのメタサーフェスにおいて、cyclical structure 々のユニットstructuralの対symmetryをbreakることでgetられるquasiBICモードを用いた(1) Refractive index characteristics, (2) Molecular vibration and bonding characteristics evaluation , いずれにおいてもProposal Structure がセンシングに Useful であることを见出した. Special (1) においてはBIC cause resonance effect (=シャープなスペクトル) とナノギャップの effect (= interaction between light and matter increases)を组み合わせることで、これまでに実appears されてきた yeduelectric body メタサーフェスの中でMAXのPerformance Index を実appears した. (2) The combination conditions of the molecular vibration of the infrared outer domain of the においてはメタサーフェススの中 infrared domain, the periodic ナノ structure and the える non-coupled weighing に応じてeasilyに変えることができること、さらにThe surface enhancement effect of molecular vibrationがmaximumとなるnon-対weighingがexistenceすることを见出した. The above results show that the quasi-BIC electromagnetic field is useful because it utilizes the electromagnetic dielectric material.

项目成果

Nanogap enhancement of the refractometric sensitivity at quasi-bound states in the continuum in all-dielectric metasurfaces

• DOI: 10.1515/nanoph-2022-0565
• 发表时间: 2023-01
• 期刊: Nanophotonics
• 影响因子: 7.5
• 作者: Keisuke Watanabe;M. Iwanaga

ナノギャップを有するメタサーフェスの準BIC磁気双極子モード観測

纳米间隙超表面的准BIC磁偶极子模式观测

• 发表时间: 2022
• 作者: 渡邊敬介;岩長祐伸
• 通讯作者: 岩長祐伸

メタサーフェスの光センサーへの展開

将超表面开发成光学传感器

• 发表时间: 2023
• 作者: 山地真由;高橋秀実;池山潤;鐡川憧英;北原英明;中嶋誠;杉山輝樹;丸山 美帆子;森勇介;吉村政志;中林誠一郎;吉川洋史;岩長祐伸
• 通讯作者: 岩長祐伸