金属-誘電体フォトニック結晶とその位相応答を利用した超高性能湿度センサー
A Metal–Dielectric Photonic Crystal and Its Phase Response Utilized in an Ultra-High-Performance Humidity Sensor
金属-誘電体フォトニック結晶(MDPhC)は、ブロッホ様表面波(BLSW)を生成し、狭い共振ディップとガス分析物に対する高い感度を示す。本研究では、Kretschmann配置におけるMDPhC支持のBLSWと位相測定に基づくセンシングコンセプトを提案する。TiO2/Agの2つの二層とTiO2の終端層からなるMDPhCにおいて、BLSWベースの位相応答はTM波とTE波の間に急峻で abrupt な位相差を示す。屈折率(RI)が1.0002727~1.0003751 RIU(相対湿度(RH)0~100 %RHに相当)の範囲で、RIとRHに対する感度はそれぞれ最大70 μm/RIUと0.072 nm/%RH、性能指標(FOM)はそれぞれ最大700,000 RIU−1と0.717 %RH−1に達する。検出限界(LOD)はそれぞれ1.4 × 10−7 RIUと0.14 %RHである。波長1637.92 nmにおける位相感度は、RIとRHに対してそれぞれ最大4.7 × 107 deg/RIUと47.7 deg/%RHであり、LODはそれぞれ2.1 × 10−10 RIUと2.1 × 10−4 %RHである。この研究は、MDPhCを用いたBLSWベースセンサーが位相測定を利用することで、優れたセンシング特性を示し、シンプルで超高性能な湿度センサーとして利用できることを示している。
- TiO2/Agの二層を2組とTiO2終端層で構成した金属-誘電体フォトニック結晶(MDPhC)をKretschmann配置で用い、ブロッホ様表面波(BLSW)の位相応答を利用する湿度センシングコンセプトを提案。
- 屈折率1.0002727~1.0003751 RIU(相対湿度0~100 %RH相当)の範囲で、RI感度は最大70 μm/RIU、RH感度は0.072 nm/%RH、FOMは最大700,000 RIU−1および0.717 %RH−1、LODは1.4×10−7 RIUおよび0.14 %RHを達成。
- 波長1637.92 nmにおける位相感度はRI・RHに対して最大4.7×10^7 deg/RIUおよび47.7 deg/%RH、位相測定ベースのLODは2.1×10−10 RIUおよび2.1×10−4 %RHに達し、シンプルかつ超高性能な湿度センサーとしての可能性を示した。
金属-誘電体フォトニック結晶(MDPhC)という新規材料構造が、湿度センサーとして従来にない超高感度(位相感度 4.7×10^7 deg/RIU、LOD 2.1×10^-10 RIU)を達成した点は注目に値する。ただし本記事は研究室レベルの原理検証・数値評価の段階であり、量産性・コスト・企業の関与・調達といった投資判断に直結する事象は含まれていない。投資家としては、TiO2/Ag 積層構造のような既存半導体/光学プロセスと親和性の高い材料系が、湿度・ガスセンサーやバイオセンシング向けの光センサ市場に応用される際の産業化プレイヤーの動向を継続監視すべきと考える。