Biomolecular sensing in all-dielectric metasurfaces with collective resonances

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。

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。