プリンテッドエレクトロニクスによるテラヘルツメタデバイスの開発
代表研究者
共同研究者

松井
中嶋龍之介
誠

三重大学
大阪大学

大学院工学研究科 准教授
レーザー科学研究所 准教授

1 はじめにテラヘルツ電磁波は、永らく未踏周波数領域とされ開発が遅れていた周波数領域にあるが、次世代の大容量無線通信を実現する技術として注目されている。加えて、分光分析など基礎学術領域から、医療・創薬、セキュリティー、非破壊検査など、多種多様な分野において産業応用が見込まれており、その早期実用化が強く望まれている。しかしながら、その未成熟な技術領域ゆえに光領域や電波領域で用いられているほどの光学素子類は未だ充分に揃っているとはいい難く、その開発が急務といえる。そのような中、従来の光学の常識を遥かに超えた光学機能を発現する概念・材料・技術として、メタマテリアルに注目が集まっており、メタマテリアルを応用したテラヘルツデバイスも続々と提案・開発されている。
代表研究者等は大阪大学の研究グループと共同にて、有機半導体である銅フタロシアニンを薄く蒸着したシリコン基板において、特に銅フタロシアニン層厚が薄い場合にテラヘルツ電磁波の効率的な光変調が可能となることをこれまで明らかにし、また本効果を応用した光変調可能なテラヘルツメタマテリアルを提案し、スーパーファインインクジェット工法により試作した素子においてその効果を実証してきた［1］。そのような素子は、印刷法により比較的簡便に作製可能なテラヘルツデバイスとして、将来的な産業応用のために大きな利点を有するものと考える。さらにスピンコートによる成膜が可能な低分子系の有機半導体 PCBM やTIPS-pentacene、高分子系の PPV 誘導体などにおいても同様の、あるいはより高効率な変調が可能であることを明らかとしてきた［2, 3］。また、オーストラリア国立大学のグループと共同にて、導電性高分子アクチュエーターを用いた共鳴周波数が可変なテラヘルツおよびマイクロ波メタマテリアルを実現した［4］。これらの素子では、積層させたメタマテリアルの相対位置にわずかな変位を与えることで、共鳴応答の変調を実現する。本研究では、これら先行の研究成果を土台としてさらに発展させる形で、近年その発展が著しい有機半導体や導電性高分子によるプリンテッドエレクトロニクスを駆使したメタマテリアルの開発と、テラヘルツ変調デバイスへの応用に関する研究に取り組んだ。

2 有機半導体によるテラヘルツ波の光変調
まずはこれまでの研究と同様の構造である銅フタロシアニンを薄く蒸着したシリコン基板において、テラヘルツ透過の高速変調が実現可能であるかを検証するために、光ポンプ–テラヘルツプローブ実験を行った。
光学系としては、フェムト秒レーザーを光源とし機械式遅延ステージを用いた一般的なテラヘルツ時間領域分光光学系を基本とし、テラヘルツ生成側のフェムト秒パルスをさらに分岐させ時間遅延を与えて試料の励起パルスとして用いた。従来の CW レーザー励起によるテラヘルツ透過の変調［1-3］と同様にフェムト秒レーザーパルス励起においても有機半導体薄膜の成膜により変調効率が向上することが確認されたものの、ポンプ光の時間遅延を変化させてもテラヘルツ透過には有意な差は見られず、期待したような高速変調効果は得られなかった。これは、シリコン基板において生成されたキャリアの寿命が比較的長いために、緩和現象の観測ができなかったためと考えられる。
一方で、0.7 eV 程度と比較的狭いバンドギャップエネルギーを有する有機半導体として知られる有機電荷移動錯体 DBTTF-TCNQ 結晶［5］のテラヘルツポンプ–テラヘルツプローブ実験にも取り組んだ。ポンプテラヘ
ルツパルスとしてはパルス面傾斜法により生成した強電場テラヘルツパルスを用いた。これは、InSb などのナローギャップ半導体などで報告されている強電場テラヘルツ照射によるインパクトイオン化［6］の観測を狙ったものである。DBTTF-TCNQ とは、ドナー分子 DBTTF (diabenzotetrathiafulvalene)とアクセプター分子TCNQ (tetracyanoquinodimethane)からなる電荷移動錯体結晶であり、近年では有機薄膜太陽電池への応用も検討されている［5］。本研究では、徐冷法と蒸発法を組み合わせ、DBTTF-TCNQ 結晶を得た。ただし、市販の TCNQ は純度が低く、昇華精製を行う必要がある。そこでまずは図１に示すような昇華精製システムと、真空系の構築を行った。等モル量の DBTTF と TCNQ を 80℃まで昇温したアセトニトリルに混合し、徐冷することで DBTTF-TCNQ を再結晶させ、ろ過、乾燥することで、図２に示すような針状結晶を得た。まずは通常のテ1

［4］ T. Matsui, Y. Inose, D. A. Powell and I. V. Shadrivov, “Electroactive Tuning of Double-LayeredMetamaterials Based on p-Conjugated Polymer Actuators,” Adv. Opt. Mater. 4, pp.135-140 (2016).
［5］ J. Tsutsumi, T. Yamada, H. Matsui, S. Haas, and T. Hasegawa, “Competition between ChargeTransfer Exciton Dissociation and Direct Photocarrier Generation in Molecular Donor-Acceptor
Compounds,” Phys. Rev. Lett. 105, 226601 (2010).
［6］ M. C. Hoffmann, J. Hebling, H. Y. Hwang, K.-L. Yeh, and K. A. Nelson, “Impact ionization inInSb probed by terahertz pump—terahertz probe spectroscopy,” Phys. Rev. B 79, 161201(R) (2009).
［7］ J. Gu, J. Han, X. Lu, R. Singh, Z. Tian, Q. Xing, and W. Zhang, “A close-ring pair terahertz
metamaterial resonating at normal incidence,” Opt. Express 17, pp.20307 (2009).
［8］ D. R. Smith, S. Schultz, P. Markos, and C. N. Soukoulis, “Determination of effective permittivity
and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients,” Phys. Rev. B 65,195104 (2002).
［9］ X. Chen, T. M. Grzegorczyk, B. Wu, J. Pacheco, Jr., and J. A. Kong, “Robust method to retrieve
the constitutive effective parameters of metamaterials,” Phys. Rev. E 70, 016608 (2004).
［10］ Y. Watanabe and T. Matsui, “Index-tunable terahertz metamaterials based on double-layered
closed-ring resonator arrays,” J. of Photonics for Energy 8, 032211 (2018).

〈発題

名

積層閉リング共振器アレイのテラヘルツバ
イオセンサーへの応用可能性
Opticalterahertz-transmission
modulation in organic-inorganic hybrid
perovskite thin films on silicon substrate
Active terahertz metamaterials utilizing
π-conjugated polymers
有機双安定素子におけるテラヘルツ波パルスによる伝導制御
テラヘルツ波パルスによる有機双安定素子の超高速伝導制御
導電性高分子アクチュエーターによる動的テラヘルツ・メタマテリアル
積層閉リング共振器アレイによる動的テラヘルツ・メタマテリアル
Active terahertz and microwave devices
based on layered metamaterials
積層閉リング共振器アレイのテラヘルツ時
間領域分光解析Index-tunableterahertz
activemetamaterials Based on Double-Layered
Closed-Ring Resonator Arrays
Active Tuning of Effective Refractive
Index Based on Double-Layered ClosedRing
ResonatorArrays
Terahertz
Metamaterials
積層閉リング共振器アレイによる実効屈折率の変調可能なテラヘルツ・動的メタマテ
リアル
積層閉リング共振器アレイによるテラヘル

表資料〉

掲載誌・学会名等
電気学会 有機エレクトロニクス・バイオエレクトロニクスに関する研究討論会
9th International Conference on
MolecularElectronics
andBioelectronics (M&BE9)
META'17, the 8th International
Conference on Metamaterials,
Photonic
Crystals
andPlasmonics
第 78 回応用物理学会秋季学術講演会
第５回 豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
第５回 豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
第５回 豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
第８回電磁メタマテリアル講演会
第 65 回応用物理学会春季学術講演会
iSPN2018: The international
Symposium on Plasmonics andNano-photonics
IRMMW-THz
2018,
43rd
International Conference on
Infrared,MillimeterandTerahertz Waves

発表年月2017 年 6 月

2017 年 6 月2017 年 7 月

2017 年 9 月
2017 年 10 月
2017 年 10 月
2017 年 10 月
2018 年 3 月
2018 年 3 月
2018 年 5 月

2018 年 9 月

第 79 回応用物理学会秋季学術講演会

2018 年 9 月

第６２回 光波センシング技術研

2018 年 12 月

5ツ動的メタマテリアル

究会講演会

積層閉リング共振器アレイを用いた相対位
置変位による実効屈折率の動的変調
実効屈折率可変メタマテリアルによるテラ
ヘルツビームステアリング
Index-Tunable Terahertz Metamaterials
Based on Layered Closed-Ring Resonator
Arrays

電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会第 66 回応用物理学会春季学術講演会
第９回電磁メタマテリアル講演会

6

2019 年 1 月
2019 年 3 月
2019 年 3 月