DE20122177U1

DE20122177U1 - Oberflächenplasmon-Optikvorrichtung und Oberflächenplasmon-Strahlungsquellen für Photolithographie

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Publication number: DE20122177U1
Application number: DE20122177U
Authority: DE
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Seoul National University Industry Foundation
Priority date: 2001-11-10
Filing date: 2001-11-10
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2011-11-11
Also published as: JP3884433B2; US7359598B2; JP2005509900A; WO2003042748A1; US20050062973A1

Abstract

Oberflächenplasmon-Erzeugungseinrichtung, aufweisend:
ein dielektrisches Substrat (12) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche,
eine optisch dicke Metallschicht (11) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (11) im Wesentlichen mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (12) kontaktiert ist, und
ein periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (13), die die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche der Metallschicht (11) durchdringen,
wobei von der ersten Oberflächenseite des dielektrischen Substrates (12) her Licht auf das periodische Apertur-Array einfällt, und wobei das Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (11) angeregt wird und Licht in der Form eines Streifens emittiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen und Einstellen eines Oberflächenplasmons unter Verwenden periodisch angeordneter Aperturen, die in einer Metallschicht ausgebildet sind, sowie eine Photolithographie-Vorrichtung, die dieses Plasmon nutzt.
Im Allgemeinen hat eine dicke Metallschicht nicht die Eigenschaft, einfallendes Licht übertragen zu können. Obwohl durch die Metallschicht hindurch Aperturen ausgebildet sind, ist, wenn die Größe der jeweiligen Apertur wesentlich geringer als die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, eine durch die Metallschicht übertragene Lichtmenge merklich reduziert. Jedoch ist es wohl bekannt, dass, wenn die Aperturen in der Metallschicht periodisch angeordnet sind und eine angeordnete Periode der Aperturen, d.h. eine Gruppe von sich noch nicht wiederholenden benachbarten Aperturen, die Größe der Wellenlänge des einfallenden Lichts hat, das Licht durch die Metallschicht effizient übertragen wird, obwohl jede Apertur eine geringere Größe als die Wellenlänge des einfallenden Lichts hat. Ferner ist als ein Ergebnis der jüngsten Forschung die spektrale Lage und Intensität solch eines Übertragungs-Resonanz-Phänomens durch eine bestehende Oberflächenplasmon-Theorie klar dargelegt. Jedoch ist es eine Tatsache, dass das Verständnis der mikroskopischen Eigenschaften bei solch einem Phänomen weiterhin mangelhaft ist.
Während des Studierens der nanoskopischen Emissionseigenschaft solcher Arrays wurde herausgefunden, dass Licht an einer unbeleuchteten Seite hauptsächlich von einer Metalloberfläche außerhalb der Aperturen mit polarisationsgesteuertem Interferenz-Muster emittiert wurde. Diese Beobachtung steht im Gegensatz zu makroskopischen Erwartungen und vorherigen theoretischen und experimentellen Arbeiten, wonach Licht ausschließlich von den Aperturen emittiert werden sollte.
Zusätzlich wurde durch ein nanooptisches Experiment, das während des Variierens der Wellenlänge und der Polarisation des einfallenden Lichts sowie der Größe der geometrischen Anordnung der in der Metallschicht ausgebildeten Aperturen durchgeführt wurde, mage System, herausgefunden, dass das an einem Metall-Beugungsgitter gebildete Oberflächenplasmon bis zu einer Entfernung von einigen 10 Mikrometern propagiert werden könnte, während die Kohärenz beibehalten wird.
Und es wurde ferner herausgefunden, dass, wenn die Polarisation und die Wellenlänge des einfallenden Lichts eingestellt wird, ein Muster des von einer Luft-Metall-Grenzfläche emittierten Lichts gesteuert werden könnte, und insbesondere kann das Muster in einer Luft-Metall (1, 0) -Mode durch das Quadrat einer Sinusfunktion dargestellt werden. Beim Entfernen von der Oberfläche ist eine Verteilung des zu diesem Zeitpunkt emittierten Lichts mehr vereinfacht und daher ähnlicher einer Form des Quadrats der Sinusfunktion. Die Periode der quadratischen Sinusfunktion ist gleich einer Gitterkonstante, und eine Periode der ursprünglichen Sinusfunktion vor dem Quadrieren ist doppelt so groß wie die Gitterkonstante. Da dieser Modus die Form von „Gitterkonstante = Wellenlänge/2" hat, wird er Halbe-Wellenlänge-Modus genannt. Beim Halbe-Wellenlänge-Oberflächenplasmon-Modus ist es möglich, das Licht im Gegensatz zu dem bestehenden Oberflächenplasmon, das auf die Oberfläche beschränkt ist, in einem breiten Sichtbereich zu emittieren. Daher haben die Erfinder das Halbe-Wellenlänge-Oberflächenplasmon „Strahlungs-Oberflächenplasmon" genannt. Da ein Muster des Strahlungs-Oberflächenplasmon in einer großen Entfernung beibehalten bleibt, kann es für neuartige Lithographie-Arten genutzt werden.
Bei einer mit einem Licht-Strahlungstyp, der an der Luft-Metall-Grenzfläche auftritt, wenn Licht auf das auf einem dielektrischen Substrat ausgebildete Metall-Beugungsgitter mit einem periodischen Apertur-Array gestrahlt wird, in Zusammenhang stehenden Nahfeld-Studie erlangten die Erfinder Ideen wie folgt: erstens kann das Metall-Beugungsgitter sowohl als eine Oberflächenplasmon-Detektionseinrichtung als auch als eine Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung mit einer wohldefinierten Ausbreitungsrichtung genutzt werden. Zweitens kann das Metall-Beugungsgitter, wenn es auf einer Metallschicht mit einer wohldefinierten Grenzfläche angeordnet ist, als eine Oberflächenplasmon-Optikeinrichtung genutzt werden, die eine Welle des Oberflächenplasmons effektiv reflektieren, separieren und steuern kann. Drittens kann, wenn die Wellenlänge und Polarisation des auf das Metall-Beugungsgitter gestrahlten Lichts eingestellt wird, der von der Luft-Metall-Grenzfläche erzeugte Licht-Strahlungstyp ebenfalls eingestellt werden. Insbesondere kann sie, da das Strahlungs-Oberflächenplasmon, das in der Luft-Metall (1, 0) -Mode gebildet wird und die Hälfte einer Periode der Gitterkonstante hat, seine Form bis zu einer Größe einiger weniger Mikrometer beibehalten kann, als eine neuartige Ätz-Vorrichtung genutzt werden. Berücksichtigend, dass eine Rolle des Oberflächenplasmons, das die Effizienz eines Optik-Gerätes verbessert, bemerkt wurde, ist zu erwarten, dass es die Möglichkeit verschiedener Anwendungen gibt.
Daher wird durch die Erfindung eine Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung geschaffen, bei der eine Ausbreitungsrichtung optisch und einfach unter Verwenden eines Metall-Beugungsgitters mit einem periodischen Apertur-Array eingestellt werden kann.
Zweitens wird durch die Erfindung eine Detektionseinrichtung geschaffen, die das sich ausbreitende Oberflächenplasmon unter Verwenden des Metall-Beugungsgitters mit einer großen periodischen Vielfalt effizient erfassen kann.
Drittens wird durch die Erfindung ein Oberflächenplasmon-Splitter geschaffen, bei dem ein anderes Metall-Beugungsgitter in der Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons angeordnet ist, um die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons in zwei aufzuteilen. Dabei wird eine Eigenschaft genutzt, dass das Oberflächenplasmon im makroskopischen Raum propagiert werden kann, während es die Kohärenz aufweist.
Viertens wird durch die Erfindung ein Oberflächenplasmon-Splitter eines anderen Typs geschaffen, der einen Tunneleffekt für einen Spalt nutzt, der zwischen getrennten Metallschichten ausgebildet ist.
Fünftens wird durch die Erfindung ein Oberflächenplasmon-Spiegel unter Verwenden einer Metall-Oberfläche geschaffen, die einen bestimmten Winkel mit der Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons bildet. Dabei wird die Eigenschaft genutzt, dass das Oberflächenplasmon nur auf der Metall-Oberfläche propagiert werden kann.
Sechstens wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern des Oberflächenplasmons geschaffen, die die Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit des Oberflächenplasmons unter Anwenden eines elektrischen Feldes steuern kann.
Siebtens wird durch die Erfindung eine optische Ätz-Vorrichtung geschaffen, die eine Strahlungs-Oberflächenplasmon-Mode einer halben Wellenlänge nutzt. Dabei wird die Eigenschaft genutzt, dass die Strahlungs-Oberflächenplasmon-Mode einer halben Wellenlänge ihr Muster selbst bei einer Entfernung von einigen Mikrometern beibehalten kann.
Daher weist eine Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung der Erfindung auf: ein dielektrisches Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke Metallschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht im Wesentlichen mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats kontaktiert ist, und ein periodisches Array von nanometergroßen Aperturen, die die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche der Metallschicht durchdringen. Fällt von der ersten Oberflächenseite des dielektrischen Substrats her Licht auf das periodische Apertur-Array ein, wird ein Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht angeregt, und es wird Licht in der Form eines Streifens emittiert. Das Licht mit einer Wellenlänge und Polarisation, die für einen Oberflächenplasmon-Resonanz-Zustand geeignet sind, fällt auf das Metall-Beugungsgitter ein, wodurch ein Oberflächenplasmon mit einer wohldefinierten Ausbreitungsrichtung einfach und effizient erzeugt wird.
Eine Oberflächenplasmon-Detektionseinrichtung der Erfindung wird gebildet, indem ein Metall-Beugungsgitter, das eine Metall-Oberfläche aufweist, mit einer lokalen optischen Detektionseinrichtung gekoppelt wird, wobei die Höhe der in der Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons angeordneten Metall-Oberfläche variiert wird.
Ein erfindungsgemäßer Oberflächenplasmon-Splitter, der die Kohärenz des Oberflächenplasmons ausnutzt, weist ein Metall-Beugungsgitter mit einem periodischen Apertur-Array oder einem Zylinder-Array auf, welche Arrays in der Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons angeordnet sind. Das in der jeweiligen Apertur oder dem jeweiligen Zylinder des Metall-Beugungsgitters verteilte Oberflächenplasmon kann nur in eine bestimmte Richtung, die die Bedingung einer konstruktiven Interferenz erfüllt, aufgeteilt und propagiert werden. Durch das Ausnutzen der Kohärenz des Oberflächenplasmons kann der erfindungsgemäße Oberflächenplasmon-Splitter das Oberflächenplasmon effektiv aufteilen.
Ein anderer Oberflächenplasmon-Splitter, der einen Tunneleffekt des Oberflächenplasmons ausnutzt, weist zwei im Abstand zueinander angeordnete Metall-Grenzflächen, die jeweils einen bestimmten Winkel in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons haben, und eine dazwischen eingefüllte dielektrische Substanz auf. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Abstand zwischen den beiden Metallschichten und eine Rate des Oberflächenplasmons geteilt durch die dielektrische Konstante der dielektrischen Substanz gesteuert werden, und ebenso kann die Ausbreitungsrichtung des aufgrund eines Winkels der Metall-Grenzfläche in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung reflektierten Oberflächenplasmons gesteuert werden. Daher kann der Oberflächenplasmon-Splitter der Erfindung eine separate Rate des Oberflächenplasmons und die Ausbreitungsrichtung leicht steuern.
Ein Oberflächenplasmon-Spiegel der Erfindung weist eine Metall-Grenzfläche mit einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons und eine dielektrische Substanz außerhalb der Metall-Grenzfläche auf. Dieser Spiegel nutzt die Eigenschaft aus, dass das Oberflächenplasmon nur entlang der Metall-Oberfläche propagiert werden kann. Mittels der dielektrischen Konstante des dielektrischen Körpers wird eine Reflexionsrate bestimmt, und die Ausbreitungsrichtung des reflektierten Oberflächenplasmons wird durch den Winkel der Metall-Grenzfläche in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Plasmons bestimmt. Daher kann der Oberflächenplasmon-Spiegel die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons effektiv steuern.
Bei einer Oberflächenplasmon-Steuervorrichtung, die ein elektrisches Feld nutzt, sind an beiden Enden in der Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons Elektroden ausgebildet, wodurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons gesteuert werden. Beispielsweise kann die Ausbreitung des Oberflächenplasmons die Elektroden an beiden Enden derart prägen, dass eine zwischen ihnen angelegte Spannung gesteuert wird, wodurch ein Fluss des Oberflächenplasmons erzeugt oder eliminiert wird. Dies basiert auf der Theorie, dass die Ausbreitung eines Oberflächenplasmons unter Anwenden des elektrischen Feldes gesteuert werden kann. Daher kann die Oberflächenplasmon-Steuereinrichtung das Oberflächenplasmon unter Anwenden des elektrischen Feldes effizient steuern.
Eine Photolithographie-Einrichtung der Erfindung ist vorgesehen, auf einem Photoresist-Schichtsubstrat ein erwünschtes Muster auszubilden. Die Einrichtung weist eine Lichtquelle für Photolithographie, eine photolithographische Maske (Metall-Beugungsgitter) mit einem periodischen Apertur-Array in der Metallschicht und ein Photoresist-Schichtsubstrat auf, auf dem das Muster ausgebildet wird. Da ein Muster von von der photolithographischen Maske emittiertem Licht mittels Variierens der Wellenlänge und Polarisation des einfallenden Lichts gesteuert werden kann, können zu diesem Zeitpunkt verschiedene Muster unter Benutzen einer einzigen photolithographischen Maske gebildet werden. Da das Muster selbst bei einem Abstand von mehr als einigen Mikrometern von der photolithographischen Maske entfernt beibehalten werden kann, können ferner die photolithographische Maske und das Photoresist-Schichtsubstrat in einem großen Abstand voneinander entfernt sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht einer Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung der Erfindung, um ein Prinzip des Erzeugens des Oberflächenplasmons zu zeigen,
2a eine Ansicht eines Bildes eines Elektronen-Mikroskops, das ein periodisches Array von Aperturen zeigt, die in einer Metallschicht von 1 ausgebildet sind,
2b eine Ansicht, die ein Fernfeld-Übertragungsspektrum in einem Fall zeigt, in dem Licht auf die Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung von 1 einfällt,
2c eine Ansicht, die ein Bild eines Rasterkraft-Mikroskops (AFM) in dem Fall zeigt, in dem Licht auf die Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung von 1 einfällt,
2d eine Ansicht, die ein Nahfeld-Übertragungsbild bei einer Luft-Metall (0, 1) -Resonanz in dem Fall zeigt, in dem Licht auf die Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung von 1 einfällt,
3a eine Ansicht, die ein Nahfeld-Übertragungsbild bei einer Saphir-Silber (1, 1) -Mode-Resonanz zeigt,
3b eine Ansicht, die ein Nahfeld-Übertragungsbild bei einer Luft-Silber (1, 0) -Mode-Resonanz zeigt,
3c eine Ansicht, die ein Bild an einem Rand eines periodischen Apertur-Arrays in der Metallschicht von 3a zeigt,
3d eine Ansicht, die ein Bild an einem Rand eines periodischen Apertur-Arrays in der Metallschicht von 3b zeigt,
3e einen Graphen, der eine Intensität des abgestrahlten Lichts in Bezug auf eine Horizontalrichtung von 3c und 3d zeigt,
4a eine schematische Ansicht, die ein Welleneigenschafts-Experiment eines Luft-Silber (1, 0) -Mode-Oberflächenplasmons zeigt,
4b eine Ansicht eines Bildes des AFM an einem Rand eines Abschnitts G1 von 4a,
4c eine Ansicht eines Nahfeld-Emissionsmusters in 4b,
4d eine Ansicht eines Nahfeld-Emissionsmusters in einem Fall, in dem die Polarisation des einfallenden Lichts um einen Winkel von 90° in Bezug auf 4c rotiert ist,
4e einen Graphen, der eine Intensität des abgestrahlten Lichts in Bezug auf eine Horizontalrichtung von 4b und 4c zeigt,
5a eine Ansicht, die ein Wellenleit-Experiment eines Luft-Saphir (0, 1) -Mode-Oberflächenplasmons zeigt,
5b eine Ansicht, die ein Bild des AFM von 5a zeigt,
5c eine Ansicht, die ein gleichzeitig mit dem Bild des AFM aufgezeichnetes Nahfeld-Emissionsmuster zeigt,
6a eine Ansicht, die ein Emissionsmuster einer Luft-Gold (1, 0) -Mode im Nahfeld zeigt,
6b eine Ansicht, die ein Emissionsmuster der Luft-Gold (1, 0) -Mode an einer von einer Oberfläche in einem Abstand von 0,14 Mikrometern entfernten Stelle zeigt,
6c eine Ansicht, die ein Emissionsmuster der Luft-Gold (1, 0) -Mode an einer von der Oberfläche in einem Abstand von 1,2 Mikrometern entfernten Stelle zeigt,
6d eine Ansicht, die ein Emissionsmuster der Luft-Gold (1, 0) -Mode an einer von der Oberfläche in einem Abstand von 2,2 Mikrometern entfernten Stelle zeigt,
6e einen Graphen, der eine Gesamtintensität der Lichtstrahlung als eine Funktion des Abstands von der Oberfläche zeigt,
6f einen Graphen, der eine Funktion der Intensität der Lichtabstrahlung und eines Abstands einer Horizontalrichtung zeigt,
7a eine Ansicht, die ein Emissionsmuster einer Luft-Silber (1, 0) -Mode im Nahfeld zeigt,
7b eine Ansicht, die ein Emissionsmuster der Luft-Silber (1, 0) -Mode an einer von der Oberfläche in einem Abstand von 2,45 Mikrometern entfernten Stelle zeigt,
7c eine Ansicht, die ein Emissionsmuster einer Saphir-Silber (1, 1) -Mode im Nahfeld zeigt,
7d eine Ansicht, die ein Emissionsmuster der Saphir-Silber (1, 1) -Mode an einer von der Oberfläche in einem Abstand von 0,68 Mikrometern entfernten Stelle zeigt,
8 eine Draufsicht eines Oberflächenplasmon-Splitters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 eine Draufsicht eines Oberflächenplasmon-Splitters gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 eine Draufsicht eines Oberflächenplasmon-Spiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 eine Draufsicht einer Oberflächenplasmon-Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein elektrisches Feld genutzt wird,
12a eine perspektivische Ansicht einer photolithographischen Maske gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
12b eine perspektivische Ansicht eines Photoresist-Schichtsubstrats, auf dem ein Muster unter Verwenden der photolithographischen Maske von 12a ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nun mittels Beispielen in größerem Detail erläutert.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 5c werden die Charakteristiken der Erzeugung, Ausbreitung und Interferenz eines Oberflächenplasmons beschrieben, welche Charakteristiken durch Experimente der Erfinder herausgefunden wurden.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung mit einem periodischen Apertur-Array einer Gitteranordnung. Die Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung 10 weist ein dielektrisches Substrat 12 mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, eine auf der oberen Oberfläche des dielektrischen Substrats 12 ausgebildete optisch dicke Metallschicht 11 und ein in der Metallschicht 11 ausgebildetes Array einer periodischen Gitteranordnung nanometergroßer Aperturen 13 in zwei Dimensionen auf. Die Metallschicht 11 ist aus einem Metall, wie beispielsweise Gold und Silber, ausgebildet und mit einer Dicke von 300 nm auf dem dielektrischen Substrat 12 aufgebracht. Das Array der Aperturen 13 wird nach einer Elektronenstrahl-Lithographie unter Anwenden eines Trockenätz-Verfahrens gebildet.
2a zeigt ein Bild eines Elektrons einer typischen Metallschicht 11 mit einem Apertur-Array, und 2b zeigt ein Fernfeld-Übertragungsspektrum einer Oberflächenplasmon-Erzeugungsvorrichtung 10, die auf der aus Gold von 300 nm Dicke hergestellten Metallschicht 11 ausgebildet ist, in der Aperturen 13 mit einem Durchmesser von 150 nm mit einer Periode von 800 nm ausgebildet sind.
Wie in 2b gezeigt, ist die Oberflächenplasmon-Resonanz an beiden Grenzflächen, d.h. der Luft-Metall- und Saphir-Metall-Grenzfläche, deutlich zu beobachten. In 2b entspricht ein Peak bei 930 nm einer Luft-Metall-Oberflächenplasmon-Resonanz bei (m, n) = (1, 0) oder (0, 1), und ein Peak bei 1.200 nm ist eine Saphir-Metall-Oberflächenplasmon-Resonanz bei (m, n) = (1, 1).
Da eine Licht-Dispersionskurve nicht von der Oberflächenplasmon-Dispersionskurve geschnitten wird, kann das Licht im Allgemeinen nicht direkt mit dem Oberflächenplasmon gekoppelt werden. Jedoch können bei einer quadratischen Gitteranordnung eines Apertur-Arrays mit einer Periode P Photonen zum Oberflächenplasmon mittels Aufnehmens eines Gittermoments (grating momentum) G = 2π/P angeregt werden, sodass die folgende Gleichung für eine Momentenerhaltung erfüllt ist: ksp = kph ± mGx ± nGy (1).
An dieser Stelle sind m und n ganze Zahlen, x und y sind Einheitsvektoren für die jeweilige Richtung, und k_sp und k_ph sind entsprechend ein Oberflächenplasmon-Vektor und Photonenvektor einer ebenen Welle.
Für senkrechten Einfall kann eine Resonanz-Wellenlänge durch die folgende Gleichung:
approximiert werden.
An dieser Stelle ist ϵ die dielektrische Konstante von Luft oder Saphir.
2c und 2d zeigen ein Ergebnis des Anwendens eines Nahfeld-Abtast-Optik-Mikroskops (NSOM) in einem Übertragungsmodus, bei dem Dauerstrich-Ti:Saphir-Laserlicht auf eine Saphir-Metallseite einfällt, und ein metallbeschichtetes Ende einer Glasfaser mit einer Öffnung mit einem Durchmesser von 100 nm Licht an einer Luft-Metallseite sammelt. 2c zeigt ein Bild eines Rasterkraft-Mikroskops (AFM), welches Bild unter Verwenden des NSOM erlangt wird, und 2d zeigt ein Nahfeld-Bild für eine Resonanz-Anregung eines Luft-Metall (0, 1) -Mode-Oberflächenplasmons mit vertikal polarisiertem Licht (Pfeilrichtung). Im Gegensatz zu der Erwartung, dass das Licht hauptsächlich von der Apertur emittiert wird, ist das meiste des emittierten Lichts auf einer ebenen Metall-Oberfläche in der Form eines Streifens senkrecht zu einer Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts zu finden. Im Fall, dass horizontal polarisiertes Licht einfällt, verläuft der Streifen des übertragenen Lichts senkrecht zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts. Im Allgemeinen ist die auffällige Emission außerhalb der Apertur in der Form eines streifenartigen Musters zu finden.
Bei dem obigen Experiment ist verglichen mit dem Nahfeld-Bild der Saphir-Metall-Mode und dem der Luft-Metall-Mode, wie
3a gezeigt, die Saphir-Metall (1, 1) -Mode hauptsächlich um die Apertur herum lokalisiert und zeigt eine Symmetrie eines Gitter-Bragg-Vektors entlang einer (1, 1) -Richtung, die eine Pfeilrichtung von 3a ist. Jedoch zeigt sie keinen Emissionsstreifen. Demgegenüber zeigt die Luft-Metall (1, 0) -Mode den Streifen senkrecht zur Pfeilrichtung von 3b, wie in 3b gezeigt.
Ferner unterscheidet sich ein Bild an einem Rand des Beugungs-Musters aufgrund des Apertur-Arrays deutlich zwischen der Saphir-Metall (1, 1) -Mode und der Luft-Metall (1, 0) -Mode. Wie in 3c gezeigt, besteht eine kohärente Oszillation der Emissions-Intensität für die Luft-Metall (1, 0) -Mode für mehr als einige Mikrometer im Abstand, während die Intensität bei der Saphir-Metall-Mode am Rand stark verringert ist.
Um die Bilder der 2a und 3e zu verstehen, ist es wichtig, die Momentenerhaltung in Bezug auf die Kopplung zwischen dem Oberflächenplasmon und dem Licht zu betrachten. Aufgrund der unterschiedlichen dielektrischen Konstanten der Luft und von Saphir ist im Grenzbereich einer kleinen Apertur eine an einer Grenzfläche zulässige Mode an der anderen Grenzfläche verboten. Daher wird das Luft-Metall-Mode-Plasmon, obwohl im Erzeugungsprozess an der angestrahlten Saphir-Metallseite nur schwach angeregt, an der Luft-Metallseite merklich erzeugt und kann effizient in Licht umgewandelt werden, wenn das Luft-Metall-Mode-Plasmon mittels des periodischen Apertur-Arrays einmal angeregt wurde und entlang der Metall-Oberfläche propagiert wurde, und bildet ein Interferenz-Muster.
Daher werden, wie in 3b und 2d gezeigt, die Emissions-Muster dieser Moden durch eine Interferenz einer stehenden Welle des Oberflächenplasmons mit:
bestimmt. Ein Kontrast im Nahfeld von mehr als 95% kennzeichnet eine hocheffiziente Wellenvektor-Selektion ähnlich einem Effekt, der bei einer photonischen Bandlückenstruktur beobachtet wurde.
Inzwischen erfüllt die Saphir-Metall-Mode die Momentenerhaltung nicht, wenn sie einmal der Luft-Metall-Grenzfläche ausgesetzt wurde. Ferner ist es aufgrund einer großen Geschwindigkeits („Impedanz") -Abweichung zwischen diesen beiden Grenzflächen wahrscheinlich, dass die Saphir-Metall-Mode eine kürzere räumliche Kohärenzlänge als die der Luft/Metall-Grenzfläche haben würde, wie aus dem lokalisierten Emissions-Muster der Saphir-Metall (1, 1) -Mode deutlich wird. Daher kann die an einer Grenzfläche stark angeregte Mode an der anderen Grenzfläche nicht effizient mit Licht gekoppelt werden.
Eine aus 3e abgeleitete „Abkling-Länge" liegt in der Größenordnung von einem Mikrometer, allerdings sollte diese Länge nicht als eine Ausbreitungslänge des Oberflächenplasmons genommen werden. Sie zeigt lediglich die Abkling-Länge des Oberflächenplasmon-Musters, die stark von Strahlungsverlust beeinflusst wird. Ein nicht-strahlendes Oberflächenplasmon kann über eine wesentlich größere Entfernung propagiert werden.
Wie oben beschrieben, sind alle, die Saphir-Metall-Mode und die Luft-Metall-Mode, an der Luft-Metall-Grenzfläche dargestellt. Der Unterschied zwischen den beiden Moden wird durch den Unterschied in den Dispersionskurven hervorgerufen. Die Welle des Oberflächenplasmons wird an der Luft-Metall-Grenzfläche besser propagiert. Daher ist es klar, dass die Luft-Metall-Mode besser geeignet ist als die Saphir-Metall-Mode, um die Ausbreitungs-Charakteristik des durch das Apertur-Array angeregten Oberflächenplasmons zu nutzen.
Das nächste Experiment ist, die Ausbreitungs-Charakteristik, insbesondere die Ausbreitungs-Länge, des Oberflächenplasmons abzuschätzen. Wie in 4a gezeigt, fällt Licht auf eine erste Gitteranordnung G2 ein und regt das Plasmon an. Dann wird das Nahfeld-Emissions-Muster an einer zweiten Gitteranordnung G1, die in einem Abstand von 25 Mikrometern entfernt ist, erfasst. Die erste und zweite Gitteranordnung sind jeweils mittels eines periodischen Apertur-Arrays ausgebildet. 4b zeigt ein AFM-Bild an einem Rand der zweiten Gitteranordnung G1.
Ferner zeigt 4c ein Nahfeld-Emissions-Muster am Rand der zweiten Gitteranordnung G1, und 4d zeigt ein Nahfeld-Emissions-Muster in einem Fall, in dem die Polarisation des einfallenden Lichts in Bezug auf 4c um 90° rotiert ist. Verläuft die Polarisation des einfallenden Lichts parallel zu einer Linie, die die erste und zweite Gitteranordnung G2 und G1 verbindet, wie in 4c gezeigt, wird ein starkes Signal erfasst. Ist die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts um 90° rotiert, wie in 4d gezeigt, wird kein Signal erfasst.
Dies zeigt deutlich, dass die Ausbreitungsrichtung des in der ersten Gitteranordnung G2 erzeugten Oberflächenplasmons parallel zur Polarisation des einfallenden Lichts verläuft, und die Ausbreitungslänge des Oberflächenplasmons liegt in der Größenordnung von 10 Mikrometern. Der Wert der Ausbreitungslänge ist gleich einer Ausbreitungslänge auf einer ebenen Metall-Schicht aus Silber. Ein deutliches Interferenzmuster in 4c kennzeichnet, dass das Oberflächenplasmon an der ersten Gitteranordnung G2 bis zur zweiten Gitteranordnung G1 propagiert wird, während die Kohärenz aufrechterhalten bleibt.
4e zeigt einen Graphen, der die Intensität des abgestrahlten Lichts in Bezug auf eine Horizontalrichtung von 4b und 4c darstellt. Wie in 4e gezeigt, erscheint die Apertur des Musters der zweiten Gitteranordnung G1 im Großen und Ganzen dunkel. Dies legt nahe, dass das Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon in der zweiten Gitteranordnung G1 in Analogie zum Saphir-Metall-Mode-Oberflächenplasmon, das an der Luft-Metall-Grenzfläche auftritt, wie in 3a gezeigt, entlang der Oberfläche der Apertur zur Saphir-Metall-Grenzfläche fließt.
Die effiziente Erzeugung des Oberflächenplasmons, das sich über eine mesoskopische Distanz ausbreitet, bietet einen neuen Weg zum Betreiben des Plasmon-Feldes an der Luft-Metall-Grenzfläche an. Wie in 5a gezeigt, wird dies durch Analysieren der Emissions-Charakteristik des Oberflächenplasmons an einer Oberflächenplasmon-Wellenleit-Anordnung analysiert, die zwei benachbarten Apertur-Arrays aufweist, bei denen eine Detektionsstelle und eine Anregungsstelle voneinander um einen Abstand von 100 um entfernt sind. Die angeregte Wellenlänge wird auf die Luft/Silber (0, 1) -Mode-Resonanz geändert, wobei die Einfall-Polarisation parallel zu einer Vertikalrichtung verläuft. Innerhalb eines Wellenleit-Bereichs wird eine Stranglicht-Emission mit einem Emissions-Muster ähnlich einer Anregungs-Mode eines rechteckigen Wellenleiters erfasst. Die Emission wird nicht in der Mitte des Apertur-Arrays erfasst, wohingegen eine schwache Emissionskomponente (um die Apertur zentriert) an einem Rand des Apertur-Arrays zu finden ist, und diese klingt zu einem Innenabschnitt des Apertur-Arrays hin rapide ab. Nahe dem Anregungspunkt ist die Lichtemission von den zwei Gitterbereichen selbstverständlich wesentlich stärker als die von der ebenen Metalloberfläche zwischen den Gitterbereichen. Jedoch ist mit sich vergrößernder Entfernung vom Anregungspunkt der Strahlungsverlust für im Inneren des Gitter-Arrays propagierende Wellen groß, und diese Wellen werden stark gedämpft. Demgegenüber ist der Strahlungsverlust, für Wellen, die entlang eines Verbindungs-Metallstreifens geleitet werden, innerhalb der Wellenleiter-Struktur drastisch reduziert. Daher ist mittels des Apertur-Arrays ein Plasmon-Ausbreitungspfad gebildet, wodurch die Ausbreitungslänge vergrößert werden kann.
Gemäß dem oben beschriebenen experimentellen Ergebnis wird selbst dann, wenn die Metallschicht wesentlich dicker als eine Durchdringungstiefe ist, das Licht von einer nichttransparenten Metall-Oberfläche stark emittiert. Dieses überraschende Phänomen resultiert aus der Erzeugung, Ausbreitung und Interferenz des Oberflächenplasmons, das stark mit dem Licht gekoppelt ist. In Bezug auf das Gleichgewicht zwischen den Anregungs- und den Emissions-Prozessen sind bei Fernfeld-Übertragung nahezu gleiche Stärken in der Luft-Metall-Resonanz und Saphir-Metall-Resonanz zu erkennen. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons wird mittels der Licht-Polarisation gesteuert, und der Ausbreitungsweg kann leicht mehr als 100 Mikrometer betragen. Dieses Ergebnis legt neue Anwendungen des Metallgitters als eine Oberflächenplasmonquelle und einen nanooptischen Oberflächenplasmon-Detektor nahe.
6 zeigt eine Vielfalt an Licht-Emissions-Mustern gemäß einem Abstand zwischen einer Metalloberfläche und einem Ende in der Luft-Gold (1, 0) -Mode. Wie in 6a – 6d gezeigt, wird das Emissionsmuster bis zu einem Abstand von mehr als 2,2 Mikrometern gut beibehalten. Die meisten der Signale sind keine auf die Oberfläche beschränkte evaneszente Wellen, allerdings das Licht, das bis zu einer weiten Entfernung hin emittiert wird. Eine quantitative Analyse belegt diese Tatsache ebenfalls positiv. 6e zeigt den Betrag von in Bezug auf eine XY-Ebene integrierter ganzer Signale, der durch eine Funktion des Abstands z zwischen einem Ende und einer Probe dargestellt ist. Es wird klar, dass mehr als die Hälfte der Nahfeld-Signale bis zu einer weiten Entfernung hin emittiert wird. Ferner ist, da die evaneszente Welle bei einer Entfernung von einigen hundert Nanometern verschwindet, wie in 6f gezeigt, wenn der Abstand groß genug ist, der Licht-Emissionstyp vereinfacht und in eine Form von:
geändert, die mit einer kleinen Konstanten addiert wird. An dieser Stelle kennzeichnet α₀ eine Gitterkonstante. Diese Tatsache bedeutet, dass es die Existenz einer Strahlungs-Oberflächenplasmon-Mode gibt, bei der eine Periode von E_x in x-Richtung 2α₀ beträgt. Ferner kann die Eigenschaft, dass ein Muster dieser Mode gut beibehalten wird, auf eine neuartige Photolithographie-Vorrichtung angewendet werden.
Jedoch wird, wie in 7 gezeigt, das Strahlungs-Oberflächenplasmon nicht bei allen Oberflächenplasmon-Resonanz-Bedingungen gebildet. In 7 werden die Varianten der Emissionsmuster gemäß einem Abstand zwischen dem Ende und der Probe in der Luft-Silber (1, 0) -Mode und der Saphir-Silber (1, 1) -Mode miteinander verglichen. In der gleichen Weise wie in 6 wird das Muster der Luft-Silber (1, 0) -Mode bis zu einer weiten Entfernung beibehalten, allerdings verschwindet das Muster der Saphir-Silber (1, 1) -Mode innerhalb einer Entfernung von einigen hundert Nanometern.
Bezug nehmend nun auf 1, 6 und 12b werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Oberflächenplasmon-Vorrichtung beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Oberflächenplasmon-Generators 10. Wie in 1 gezeigt, ist auf einem dielektrischen Substrat 12, wie beispielsweise einem Saphir, eine Metallschicht 11 ausgebildet und weist darin eine Mehrzahl von periodisch angeordneten Aperturen 13 mit einer Gitteranordnung auf. Wie oben beschrieben, wird, wenn von der Seite des dielektrischen Substrates 12 her Licht auf das periodische Apertur-Array einfällt, mittels des periodischen Apertur-Arrays ein Oberflächenplasmon angeregt, und der Oberflächenplasmon-Generator 10 erzeugt daher effizient und einfach ein Oberflächenplasmon.
8 ist eine Draufsicht, die einen erfindungsgemäßen Oberflächenplasmon-Splitter 20 zeigt, der Kohärenz ausnutzt. Wie in 8 gezeigt, ist auf einem dielektrischen Substrat 22, wie beispielsweise einem Saphir, eine Metallschicht 21 in verzweigungsartiger Form ausgebildet. An einem Ende der Metallschicht 21 ist eine erste Gitteranordnung 24 mit periodisch angeordneten Aperturen 23a ausgebildet, welche erste Gitteranordnung 24 als ein Oberflächenplasmon-Generator wirkt. Ein Mittelbereich der Metallschicht 21 wird beispielsweise in zumindest zwei Bereiche in verzweigungsartiger Form von dem einen Ende der Metallschicht 21 aus geteilt, wie in 8 gezeigt, und in ihm ist eine zweite Gitteranordnung 25 mit periodisch angeordneten Aperturen oder Zylindern 23b ausgebildet, welche zweite Gitteranordnung 25 wie ein Oberflächenplasmon-Splitter wirkt. Endabschnitte der Metallschicht 21, die vom Mittelbereich der Metallschicht 21 her in verzweigungsartiger Form geteilt wurden, weisen eine dritte Gitteranordnung 26 bzw. eine vierte Gitteranordnung 27 auf. Die Gitteranordnungen 26 und 27 weisen jeweils periodisch angeordnete Aperturen oder Zylinder 23c bzw. 23d auf, wobei jede dieser Anordnungen als ein Oberflächenplasmon-Detektor wirkt.
Fällt von der Seite des dielektrischen Substrats 22 her auf die erste Gitteranordnung 24 der Metallschicht 21 horizontal polarisiertes Licht ein, wirkt die erste Gitteranordnung 24 wie eine Oberflächenplasmon-Quelle, da aufgrund der ersten Gitteranordnung 24 ein Oberflächenplasmon angeregt wird. Ein mittels der ersten Gitteranordnung 24 erzeugtes Oberflächenplasmon breitet sich entlang der Oberfläche der Metallschicht 21 aus, bis es das zweite, im Mittelbereich der Metallschicht 21 ausgebildete Gitter 25 erreicht. Da das Oberflächenplasmon eine Geradeaus-Ausbreitungseigenschaft zeigt, breitet sich das aufgrund der ersten Gitteranordnung 24 erzeugte Oberflächenplasmon aus, bis es die zweite Gitteranordnung 25 erreicht. An der Stelle des zweiten Gitters 25 teilt sich das Oberflächenplasmon in zwei Zweige auf und breitet sich dann zum dritten Gitter 26 bzw. zum vierten Gitter 27 hin aus. An dieser Stelle variiert ein Aufteilungsverhältnis des Oberflächenplasmons in Abhängigkeit von der Form der zweiten Gitteranordnung 25. Da sich das Oberflächenplasmon ausbreitet, bis es die dritte Gitteranordnung 26 und die vierte Gitteranordnung 27 erreicht, und aufgrund der jeweiligen Gitteranordnungen 26 und 27 in Licht umgewandelt wird, wirken die dritte Gitteranordnung 26 und die vierte Gitteranordnung 27 als der erste Detektor bzw. der zweite Detektor. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein in zwei Bereiche aufgeteilter Plasmon-Splitter gezeigt, allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt.
9 ist eine Draufsicht eines Oberflächenplasmon-Splitters 30 eines anderen Ausführungsbeispiels. Wie in 9 gezeigt, ist auf einem dielektrischen Substrat 32, wie beispielsweise einem Saphir, in einer T-Buchstaben-Form eine Metallschicht 31 ausgebildet. An einem Ende der Metallschicht 31 ist eine erste Gitteranordnung 34 mit periodisch angeordneten Aperturen oder Zylindern 33a ausgebildet, die wie ein Oberflächenplasmon-Generator wirkt, und am anderen Ende der Metallschicht 31 gegenüber dem einen Ende der Metallschicht 31 ist eine zweite Gitteranordnung 35 mit periodisch angeordneten Aperturen oder Zylindern 33b ausgebildet. In einem sich von einem Mittelbereich der Metallschicht 31 nach unten erstreckenden Abschnitt der Metallschicht 31 sind periodisch angeordnete Aperturen oder Zylinder 33c angeordnet. Zwischen der ersten Gitteranordnung 34 und der zweiten Gitteranordnung 35 ist im Mittelbereich der Metallschicht 31 ein Spalt 37 beispielsweise einer Breite von 200 nm schräg mit einem negativen Anstieg ausgebildet. Der Spalt 37 ist mit dielektrischer Substanz einer ausgewählten dielektrischen Konstante gefüllt.
Fällt wie beim in 8 gezeigten Oberflächenplasmon-Splitter 20 von der Seite des dielektrischen Substrats 32 her auf die erste Gitteranordnung 34 der Metallschicht 31 horizontal polarisiertes Licht ein, wirkt die erste Gitteranordnung 34 wie ein Oberflächenplasmon-Generator, da mittels der ersten Gitteranordnung 34 ein Oberflächenplasmon angeregt wird. Ein mittels der ersten Gitteranordnung 34 erzeugtes Oberflächenplasmon breitet sich entlang der Oberfläche der Metallschicht 31 aus, bis es den Spalt 37 im Mittelbereich der Metallschicht 31 erreicht. Ein Teil des von der ersten Gitteranordnung 34 aus propagierenden Oberflächenlasmons wird an der zum Ausbilden des Spaltes 37 abgeschrägten Fläche reflektiert, und die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons schwenkt zur dritten Gitteranordnung 36 hin. Der verbleibende Teil des Oberflächenplasmons breitet sich aufgrund eines Tunneleffekts durch den Spalt 37 zur zweiten Gitteranordnung 35 hin aus. Da sich das Oberflächenplasmon ausbreitet, bis es die zweite Gitteranordnung 35 und die dritte Gitteranordnung 36 erreicht und dann mittels der jeweiligen Gitteranordnung 35 und 36 in Licht umgewandelt wird, wirken demgemäß die zweite Gitteranordnung 35 und die dritte Gitteranordnung 36 als ein erster Detektor bzw. ein zweiter Detektor. Zu diesem Zeitpunkt wird das Aufteilungsverhältnis mittels Steuerns der Größe des Spalts zwischen den zwei Abschnitten von Metallschichten sowie der dielektrischen Konstante der dielektrischen Substanz, die dazwischen eingefüllt ist, gesteuert und ferner kann die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons, das reflektiert wird, aufgrund des Steuerns eines Winkels der Metall-Grenzflächen, die den Spalt bilden, variieren.
10 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Oberflächenplasmon-Spiegels 40. Wie in 10 gezeigt, ist, auf einem dielektrischen Substrat 42, wie beispielsweise einem Saphir, eine Metallschicht 41 in der Form von „
" ausgebildet. An einem Ende der Metallschicht 41 sind periodisch angeordnete Aperturen 43a mit einer ersten Gitteranordnung 44 ausgebildet, und am anderen Ende der Metallschicht 41, das mit der ersten Gitteranordnung 44 einen rechten Winkel bildet, sind periodisch angeordnete Aperturen 43b mit einer zweiten Gitteranordnung 45 ausgebildet. Ein Bereich der ersten Gitteranordnung 44, der die zweite Gitteranordnung 45 kreuzt, weist einen Schrägschnitt-Abschnitt auf.
Der Oberflächenplasmon-Spiegel 40 von 10 hat den gleichen Aufbau wie der Oberflächenplasmon-Splitter 30 von 9, abgesehen davon, dass die zweite Gitter-Matrix 35 der Metallschicht 41 im Oberflächenplasmon-Splitter 30 von 9 ausgebildet ist. Fällt von der Seite des dielektrischen Substrats 42 her auf die erste Gitteranordnung 44 horizontal polarisiertes Licht ein, wirkt die erste Gitteranordnung 44 wie ein Oberflächenplasmon-Generator, da mittels der ersten Gitteranordnung 44 ein Oberflächenplasmon angeregt wird. Wenn sich ein in der ersten Gitteranordnung 44 erzeugtes Oberflächenplasmon entlang der Oberfläche der Metallschicht 41 ausbreitet und einen Mittelbereich der Metallschicht 41 erreicht, der schräg geschnitten ist, schwenkt die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons aufgrund der Reflexion des Oberflächenplasmons am schrägen Abschnitt der Metallschicht 41 zur zweiten Gitteranordnung 45 hin. Das Oberflächenplasmon, das sich ausgebreitet hat, bis es die zweite Gitteranordnung 45 erreicht, wird mittels der zweiten Gitteranordnung 45 in Licht umgewandelt, und die zweite Gitteranordnung 45 wirkt daher als ein Detektor.
11 ist eine Draufsicht einer Oberflächenplasmon-Steuervorrichtung 50 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in 11 gezeigt, weist eine Oberflächenplasmon-Steuervorrichtung 50 ein dielektrischen Substrat 52, wie beispielsweise ein Saphir, eine auf dem dielektrischen Substrat 52 in der Form eines Streifens ausgebildete Metallschicht 51 und ein Paar von an beiden Enden der Metallschicht 51 ausgebildeten Elektroden auf. An einem Ende der Metallschicht 51 sind periodisch angeordnete Aperturen 53a mit einer ersten Gitteranordnung 54 ausgebildet, und am anderen Ende der Metallschicht 51 gegenüber dem einen Ende der Metallschicht 51 sind periodisch angeordnete Aperturen 53b mit einer zweiten Gitteranordnung 55 ausgebildet.
Fällt von der Seite des dielektrischen Substrats 52 her auf die erste Gitteranordnung 54 horizontal polarisiertes Licht ein, wirkt die erste Gitteranordnung 54 wie eine Oberflächenplasmon-Quelle, da mittels der ersten Gitteranordnung 54 ein Oberflächenplasmon angeregt wird. Ein in der ersten Gitteranordnung 54 erzeugtes Oberflächenplasmon breitet sich entlang der Oberfläche der Metallschicht 51 aus, bis es die zweite Gitteranordnung 55 erreicht. Das Oberflächenplasmon, das sich ausbreitet, bis es die zweite Gitteranordnung 55 erreicht, wird mittels der zweiten Gitteranordnung 55 in Licht in der Form eines Streifens senkrecht zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts umgewandelt, und die zweite Gitteranordnung 55 wirkt daher als ein Detektor.
Zu diesem Zeitpunkt kann das Oberflächenplasmon, das sich entlang der Oberfläche der Metallschicht 51 ausgebreitet hat, bis es die zweite Gitteranordnung 55 erreicht, mittels Anlegens eines elektrischen Feldes an ein Paar von Elektroden 56 und 57 gesteuert werden. Wird beispielsweise an die Elektrode 56 eine positive Spannung angelegt und an die Elektrode 57 eine negative Spannung angelegt, breitet sich, da die Richtung des elektrischen Feldes aufgrund der an die Elektroden 56 und 57 angelegten Spannung die gleiche ist wie die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons, zusätzlich mehr Oberflächenplasmon aus, bis es die zweite Gitteranordnung 55 erreicht, und daher wird Licht in der Form von streifenartigen Mustern senkrecht zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts emittiert. Umgekehrt wird, wenn an die Elektrode 56 eine negative Spannung angelegt wird und an die Elektrode 57 eine positive Spannung angelegt wird, da die Richtung des elektrischen Feldes aufgrund der an die Elektroden 56 und 57 angelegten Spannung der Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons entgegengesetzt ist, daher die Ausbreitung des Oberflächenplasmons störend, von der zweiten Gitteranordnung 55 kein Licht emittiert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuerverfahren aufgrund des elektrischen Feldes beschrieben. Jedoch kann das Oberflächenplasmon anstelle der Elektroden, wie oben beschrieben, da die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons parallel zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts verläuft, auch mittels Variierens der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts gesteuert werden.
12a ist eine perspektivische, schematische Ansicht, die eine Licht-Übertragungsvorrichtung der Erfindung zeigt, welche als eine erfindungsgemäße Photolithographie-Maske benutzt wird, und 12b ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines mit einem Photoresist beschichteten Substrats, zeigend ein unter Verwenden einer photolithographischen Maske resultierendes Muster. Wie in 12a gezeigt, ist auf einem dielektrischen Substrat 61, wie beispielsweise einem Saphir, eine Metallschicht 62 ausgebildet, und die Metallschicht 62 weist periodisch angeordnete Aperturen 63 auf. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Muster, das auf dem mit einem Photoresist beschichteten Substrat ausgebildet wird, in Abhängigkeit von der Wellenlänge und Polarisation des einfallenden Lichts be stimmt. Insbesondere wird, wenn die Lichtpolarisation gesteuert wird, wenn von der Seite des dielektrischen Substrats 61 her Licht einfällt und dessen Wellenlänge mit dem Resonanz-Zustand des Luft/Metall-Oberflächenplasmons übereinstimmt, Licht in Form streifenartiger Muster emittiert. Das emittierte Licht zeigt nahe dem Metallgitter ein komplexes Muster. Jedoch zeigt es bei einer Entfernung von einigen hundert Nanometern vom Metallgitter eine einfache Sinuswelle, und diese Sinuswelle bleibt für mehr als einige 10 Mikrometer Entfernung bestehen. Demgemäß wird, wenn ein mit einem Photoresist beschichtetes Substrat 64 mit einigen Mikrometern Abstand von der Metallschicht 62 entfernt ist, das emittierte Licht in einer Form einer Sinuswelle zum mit einem Photoresist beschichteten Substrat 64 freigesetzt, und daher werden deutliche linienartige Muster ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist auf einem dielektrischen Substrat eine Metallschicht ausgebildet, und in der Metallschicht sind periodisch angeordnete Aperturen mit einer Gitteranordnung ausgebildet. Fällt von der Seite des dielektrischen Substrats her auf das periodische Apertur-Array der Metallschicht Licht ein, wird von der Seite der Metallschicht mit dem periodischen Apertur-Array ein Oberflächenplasmon angeregt, und daher kann sich ein in eine ausgewählte Richtung ausbreitendes Oberflächenplasmon effizient und einfach erzeugt werden. Ferner kann ein periodisches Apertur- oder Zylinder-Array, das in der Metallschicht ausgebildet ist, in Kombination mit einem lokalen Lichtdetektor wie ein Oberflächenplasmon-Detektor wirken. Ferner ist es erfindungsgemäß mittels Vorsehens eines Oberflächenplasmon-Splitters und eines Oberflächenplasmon-Spiegels möglich, die Ausbreitung des Oberflächenplasmons effizient zu steuern. Die Erfindung spielt eine wichtige Rolle beim Verbessern der Effizienz von Optikgeräten, die das Oberflächenplasmon nutzen. Zusätzlich kann bei der Erfindung unter Verwenden der Eigenschaften, dass von dem Oberflächenplasmon erzeugtes Licht sein Muster beibehält, bis es einige makroskopische Distanzen unter einem selektierten Zustand erreicht, und dass das Muster mit der Steuerung der Wellenlänge und Polarisation des einfallenden Lichts variieren kann, eine Photolithographie-Vorrichtung mit einem neuartigen Konzept bereitgestellt werden.
Zusammenfassend ist eine Oberflächenplasmon-Optikvorrichtung offenbart, die ein in einem dielektrischen Substrat ausgebildetes periodisches Array von Aperturen und eine auf dem dielektrischen Substrat ausgebildete Metallschicht aufweist und von der Metall-Luft-Grenzfläche Licht emittiert. Die Oberflächenplasmon-Optikvorrichtung weist eine Oberflächenplasmon-Erzeugungseinrichtung, eine Oberflächenplasmon-Detektionseinrichtung, eine Oberflächenplasmon-Steuereinrichtung, eine Ätzeinrichtung usw. auf. Ist auf der Metallschicht ein Metall-Beugungsgitter mit einer wohldefinierten Grenzfläche angeordnet, kann das Oberflächenplasmon effizient reflektiert und aufgeteilt werden und dessen Ausbreitung effizient gesteuert werden. Ferner kann das Strahlungs-Oberflächenplasmon mit einer halben Periode einer Gitterkonstante eines an einer Luft-Metall (1, 0) -Grenzfläche ausgebildeten Gitters in einer Entfernung von mindestens einigen Mikrometern beibehalten werden.

Claims

Oberflächenplasmon-Erzeugungseinrichtung, aufweisend: ein dielektrisches Substrat (12) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke Metallschicht (11) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (11) im Wesentlichen mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (12) kontaktiert ist, und ein periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (13), die die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche der Metallschicht (11) durchdringen, wobei von der ersten Oberflächenseite des dielektrischen Substrates (12) her Licht auf das periodische Apertur-Array einfällt, und wobei das Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (11) angeregt wird und Licht in der Form eines Streifens emittiert wird.
Einrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das dielektrische Substrat (12) ein Saphir-Substrat ist.
Oberflächenplasmon-Splitter, aufweisend: ein dielektrisches Substrat (22) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke Metallschicht (21) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (21) im Wesentlichen mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (22) kontaktiert ist, und aufweisend einen Seitenbereich, einen Mittelbereich und einen anderen Seitenbereich, der sich vom Mittelbereich aus erstreckt, und wobei die Metallschicht (21) in mindestens zwei oder drei Bereiche aufgeteilt ist, ein erstes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (23a), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (21) durchdringen, ausgebildet in dem einen Seitenbereich der Metallschicht (21), ein zweites periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (23b), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (21) durchdringen, ausgebildet im Mittelbereich der Metallschicht (21), ein drittes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (23c, 23d), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (21) durchdringen, ausgebildet jeweils in zwei oder mehr Aufteilungsabschnitten des anderen Seitenbereichs, und wobei Licht, das in der gleichen Richtung wie eine Richtung polarisiert ist, die vom ersten periodischen Array zum zweiten periodischen Array hin gerichtet ist, von der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrates (22) her auf das erste periodische Array der Metallschicht (21) einfällt und ein Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon auf der zweiten Oberfläche der Metallschicht (21) angeregt und entlang der Metallschicht (21) zum zweiten periodischen Array propagiert wird, und wobei das zum zweiten periodischen Array propagierte Oberflächenplasmon am zweiten periodischen Array aufgeteilt und zum dritten periodischen Array propagiert wird und daher vom dritten periodischen Array aus Licht emittiert wird.
Splitter gemäß Anspruch 3, wobei das dielektrische Substrat (22) ein Saphir-Substrat ist.
Oberflächenplasmon-Splitter, aufweisend: ein dielektrisches Substrat (32) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke und „T"-förmige Metallschicht (31) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (31) mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (32) im Wesentlichen kontaktiert ist, und aufweisend einen Horizontalabschnitt und einen Vertikalabschnitt, wobei der Horizontalabschnitt in einen Seitenbereich und einen anderen Seitenbereich aufgeteilt ist, und wobei sich der eine Seitenbereich des Horizontalabschnitts zum Vertikalabschnitt hin erstreckt, ein erstes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (33a), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (31) durchdringen, ausgebildet in dem einen Seitenbereich des Horizontalabschnitts der Metallschicht (31), ein zweites periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (33b), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (31) durchdringen, ausgebildet in dem anderen Seitenbereich des Horizontalabschnitts der Metallschicht (31), ein drittes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (33c), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (31) durchdringen, ausgebildet im Vertikalabschnitt der Metallschicht (31), und einen diagonal ausgebildeten Spalt (37), ausgebildet in einem erwünschten Raum zwischen einerseits dem Vertikalabschnitt und dem einen, das erste periodische Array aufweisenden Seitenbereich des Horizontalabschnitts der Metallschicht (31) und andererseits dem anderen, das zweite periodische Array aufweisenden Seitenbereich des Horizontalabschnitts der Metallschicht (31), wobei Licht, das in der gleichen Richtung wie eine Richtung polarisiert ist, die vom ersten periodischen Array zum zweiten periodischen Array hin gerichtet ist, von der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats (32) her auf das erste periodische Array der Metallschicht (31) einfällt und ein Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (31), die das erste periodische Array aufweist, angeregt wird und entlang der Metallschicht (31) propagiert wird, und wobei ein Teil des propagierten Oberflächenplasmons von der Metallschicht (31), die den Spalt (37) bildet, so reflektiert wird, dass das Licht vom dritten periodischen Array aus emittiert wird, und wobei ein anderer Teil des propagierten Oberflächenplasmons durch den Spalt (37) tunnelt, sodass das Licht vom zweiten periodischen Array aus emittiert wird.
Splitter gemäß Anspruch 5, wobei das dielektrische Substrat (32) ein Saphir-Substrat ist.
Oberflächenplasmon-Spiegel, aufweisend: ein dielektrisches Substrat (42) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke Metallschicht (41) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (41) im Wesentlichen mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (42) kontaktiert ist, und aufweisend einen Horizontalabschnitt mit zwei Enden und einen Vertikalabschnitt, der sich von einem der beiden Enden des Horizontalabschnitts erstreckt, und wobei ein Verbindungsbereich des Horizontalabschnitts und des Vertikalabschnitts in der Form einer Diagonale vorliegt, ein erstes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (43a), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (41) durchdringen, ausgebildet im Horizontalabschnitt der Metallschicht (41), und ein zweites periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (43b), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (41) durchdringen, ausgebildet im Vertikalbereich der Metallschicht (41), und wobei das zweite periodische Array im rechten Winkel zum ersten periodischen Array angeordnet ist, wobei Licht, das in der gleichen Richtung wie eine Horizontalrichtung der Metallschicht (41) polarisiert ist, von der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats (42) her auf das erste periodische Array einfällt und ein Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (41), die das erste periodische Array aufweist, angeregt wird und entlang der Metallschicht (41) propagiert wird, und wobei das propagierte Oberflächenplasmon von einem Diagonal- Abschnitt so reflektiert wird, dass das Licht vom zweiten periodischen Array aus emittiert wird.
Spiegel gemäß Anspruch 7, wobei das dielektrische Substrat (42) ein Saphir-Substrat ist.
Oberflächenplasmon-Steuereinrichtung, aufweisend: ein dielektrisches Substrat (52) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke und streifenförmige Metallschicht (51) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (51) mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (52) im Wesentlichen kontaktiert ist, ein erstes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (53a), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (51) durchdringen, ausgebildet in einem Seitenbereich der Metallschicht (51), und ein zweites periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (53b), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (51) durchdringen, ausgebildet im anderen Seitenbereich der Metallschicht (51) derart, dass es dem ersten periodischen Array gegenüberliegt, wobei, wenn Licht, das in der gleichen Richtung wie eine Richtung polarisiert ist, die vom ersten periodischen Array zum zweiten periodischen Array hin gerichtet ist, von der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats (52) her auf das erste periodische Array der Metallschicht (51) einfällt, ein Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmonen an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (51), die das erste periodische Array aufweist, angeregt wird und entlang der Metallschicht (51) zum zweiten periodischen Array propagiert wird, sodass das Licht vom zweiten periodischen Array aus in der Form eines Streifens emittiert wird, und wobei, wenn Licht in einer Richtung polarisiert ist, die in einem Winkel von 90° in Bezug auf die Polarisation rotiert ist, vom zweiten periodischen Array aus kein Licht emittiert wird.
Einrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das dielektrische Substrat (52) ein Saphir-Substrat ist.
Oberflächenplasmon-Steuereinrichtung, aufweisend: ein dielektrisches Substrat (52) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke und streifenförmige Metallschicht (51) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (51) mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (52) im Wesentlichen kontaktiert ist, ein erstes periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (53a), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (51) durchdringen, ausgebildet in einem Seitenbereich der Metallschicht (51), ein zweites periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (53b), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (51) durchdringen, ausgebildet in einem anderen Seitenbereich der Metallschicht (51) derart, dass es dem ersten periodischen Array gegenüberliegt, eine erste Elektrode (56), die an dem Ende der Metallschicht (51) ausgebildet ist, das das erste periodische Array aufweist, und eine zweite Elektrode (57), die an dem Ende der Metallschicht (51) ausgebildet ist, das das zweite periodische Array aufweist, wobei, wenn Licht, das in der gleichen Richtung wie eine Richtung polarisiert ist, die vom ersten periodischen Array zum zweiten periodischen Array hin gerichtet ist, von der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats (52) her auf das erste periodische Array der Metallschicht (51) einfällt, ein Licht-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (51), die das erste periodische Array aufweist, angeregt wird und entlang der Metallschicht (51) propagiert wird und eine positive Spannung an die erste Elektrode (56) angelegt wird und eine negative Spannung an die zweite Elektrode (57) angelegt wird, wobei Licht vom zweiten periodischen Array aus emittiert wird, und wobei, wenn eine negative Spannung an die erste Elektrode (56) angelegt wird und eine positive Spannung an die zweite Elektrode (57) angelegt wird, vom zweiten periodischen Array aus kein Licht emittiert wird.
Einrichtung gemäß Anspruch 11, wobei das dielektrische Substrat (52) ein Saphir-Substrat ist.
Photolithographische Maske zum Ausbilden eines Musters auf einem mit einem Photoresist beschichteten Substrat (64), aufweisend: ein dielektrisches Substrat (61) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine optisch dicke Metallschicht (62) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Metallschicht (62) mit der zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats (61) im Wesentlichen kontaktiert ist, ein periodisches Array von nanometergroßen Aperturen (63), die die erste und zweite Oberfläche der Metallschicht (62) durchdringen, wobei, wenn Licht von der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats (61) her auf das periodische Array einfällt, ein Luft-Metall-Mode-Oberflächenplasmon an der zweiten Oberfläche der Metallschicht (62), die das periodische Array aufweist, angeregt wird und Licht mit einem Muster mittels einer Wellenlänge und Polarisation des einfallenden Lichts gesteuert wird und das emittierte Licht derart abgestrahlt wird, dass auf dem mit einem Photoresist beschichteten Substrat (64) ein entsprechendes Muster gebildet wird.
Maske gemäß Anspruch 13, wobei das dielektrische Substrat (61) ein Saphir-Substrat ist.