北海道大学大学院 情報科学研究科 生命人間情報科学専攻|北海道大学工学部 情報エレクトロニクス学科 生体情報コース

研究室の紹介

バイオナノフォトニクス研究室

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研究室の概要

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光は、生体の計測や加工(レーザーメス、目の手術など)にも応用されています。当研究室では、生命人間情報を探索するために、光を用いた計測や加工、あるいは光をエネルギーに変換する光化学に関する研究を推進しています。現在、光化学の研究において、照射された光を高効率に分子に吸収させる「光の有効利用」という新しい概念が注目されています。我々は、光と分子を強く結合させ、光の有効利用を可能にする光反応場として、局在プラズモン共鳴によって光を捕集・濃縮することが可能な光アンテナ(金属のナノ構造体)に着目し、「プラズモニック化学」という新しい研究分野を立ち上げました。金属ナノ構造が示す光を捕集して、ナノメートルオーダーの微小な空間に濃縮する効果は、通常の定常光源では誘起されない非線形光化学反応を太陽光のような微弱な光により実現できるだけでなく、エネルギーの低い可視・近赤外光を用いて太陽電池や人工光合成などの光-エネルギー変換系に応用が可能であることを明らかにしました。

具体的な研究テーマは、研究室の多くのメンバーが携わっているプラズモニック化学(近赤外太陽電池、人工光合成、ナノ光リソグラフィー、テラヘルツセンサーなど)に関する研究課題のほかに、フェムト秒レーザー加工、マイクロフォトニックデバイスの開発、レーザーマニピュレーションによる分子操作、および遺伝子診断用マイクロ分析システム(DNA分取チップ)の開発に関する研究を推進しています。

  • 生体を透過できる赤外光で駆動する太陽電池の開発(生体内に埋め込み、体外から赤外光を照射することにより充電可能となる)
  • レーザーマニピュレーションによる分子操作
  • 微細加工技術を利用したマイクロ分析システムの開発
  • フェムト秒レーザー加工やフォトニック結晶を用いた生体分子の微量分析に応用できるマイクロフォトニックデバイスの開発

研究内容の紹介

近赤外太陽電池・人工光合成

波長800-1100 nmの近赤外光は、生体を透過しやすいことで知られています。我々は、近赤外光を捕集・濃縮することが可能なナノメートルサイズの光アンテナ(金属ナノ構造)を搭載した太陽電池を開発し、体外よりエネルギー供給できる生体内埋め込み型太陽電池の開発を目指しています。また、本システムを用いた新たな研究展開として、近赤外光照射による水の完全分解(水素・酸素発生)や炭酸ガスの固定など、人工光合成系への応用も視野に入れて研究を進めています。

フェムト秒レーザー加工

フェムト秒レーザー照射により形成した微小空間を3次元的に配列して作製したフォトニック結晶です。ダイアモンド構造はもっと強く光を閉じこめられる構造ですが、作製が困難です。写真はフェムト秒レーザー加工によって高屈折ガラス中に作製に制したダイアモンド構造を有するフォトニック結晶です。

集光フェムト秒レーザーが作り出す高光子密度状態においては、多光子吸収などの非線形光学現象や、トンネルイオン化などの量子現象が容易に観測されます。これを利用し、光の回折限界以下の分解能で透明材料の表面を損傷させることなく内部のみを加工し、3次元メモリーやフォトニック結晶、そしてマイクロチャンネルチップを作製する3次元超加工の研究を行っています。また、シリコンなどの半導体や、ステンレススチールなどの金属、サファイア単結晶などのセラミックスの加工についても検討しています。

フォトニック結晶

シリコン基盤上に作製したハニカム構造を持つ二次元フォトニック結晶

半導体加工技術やアルミニウムの陽極酸化によりフォトニック結晶(2次元)と呼ばれる光を閉じ込めることができるサブミクロンオーダーの周期構造を作製し、その光学的特性を評価しています。さらに、より光を閉じこめられる3次元フォトニック結晶を高分子微粒子の自己組織化やフェムト秒レーザー加工によって作製するとともにその光学的評価も行っています。これらの様々なフォトニック結晶を用いて新しい光導波路構造、微小レーザー共振器、光化学反応場の構築を行っています。

研究設備の例

時間分解光電子顕微鏡

超高精度電子ビーム露光装置

将来に役立つ知識や技術

バイオ関連の研究開発の基礎技術

  • DNA操作技術
  • 光学顕微鏡・共焦点/多光子顕微鏡技術

ナノテクノロジー関連の研究開発に必要な技術と知識

  • 半導体微細加工技術
  • 電子顕微鏡技術
  • 原子間力顕微鏡技術
  • 時間分解分光計測技術/光電子顕微鏡観察技術
  • フェムト秒レーザー加工技術
  • テラヘルツ時間領域分光技術

 データ解析・装置制御技術

  • MATLAB、LabVIEW、Originを使用して、計測機器の制御や実験データ解析を行っています。

このようなキーワードに興味がある人は、ぜひ、研究室見学に来てください。

近赤外太陽電池/人工光合成/プラズモニック化学/フォトニック結晶/フェムト秒レーザー加工/テラヘルツセンサー

メンバー紹介

  • 教授:三澤 弘明
  • 准教授:上野 貢生
  • 助教:押切 友也
  • 特任助教:孫 泉
  • 博士研究員:1名 学術研究員:3名
  • 秘書:2名
  • 博士:3名  修士:5名  学部:2名

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お問い合わせ

住所:〒001-0021 札幌市北区北21条西10丁目 北海道大学電子科学研究所
電話:011-706-9358
FAX:011-706-7359

 

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