JP2001147407A

JP2001147407A - 光応答性コロイド結晶と回折光素子並びに電場光制御素子

Info

Publication number: JP2001147407A
Application number: JP2000013106A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sato; 治佐藤; Chutaku Ko; 忠沢顧; Akira Fujishima; 昭藤嶋
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】回折波長を変化させ制御することのできる新
しい光応答性のコロイド結晶と回折光素子、これを用い
ての回折波長の制御方法を提供する。【解決手段】光で相転移が制御され、回折波長が変化
する光応答性のコロイド結晶であって、電荷をもつ単分
散粒子が、光イオン化性物質を含有する水または有機溶
媒に分散されている光応答性コロイド結晶とする。また
固体基板上に単分散粒子と光イオン化性物質との回折光
素子を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、光応答性
コロイド結晶と回折光素子並び電場光制御素子に関する
ものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、光ス
イッチや選択的光回折等に有用な、新しい光応答性コロ
イド結晶と回折光素子、そして電場光制御素子とこれら
を用いた光の制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、フォトニックバン
ドギャップを原理として場の設計による光反応の制御が
新しい技術的なテーマとして注目されている。特定の波
長の光をこれにより発光させることによって、光反応の
選択的な進行をコントロールすることが可能となるから
である。

【０００３】しかしながら、実際には、このような技術
はいまだ未踏の領域であることから、これまでにも様々
な観点とアプローチとによって試行されているのが実情
である。

【０００４】このような状況において、この出願の発明
者らは、電荷をもつ単分散の微粒子はイオン濃度の低い
水あるいは有機溶媒などで自己集積化し、周期的な構造
を形成することに注目してきた。このような自己集積
し、周期的な構造を持つものをコロイド結晶と呼ぶとす
ると、このコロイド結晶においては、微粒子間の距離が
ちょうど可視光と同じくらいの寸法の時に、可視光のあ
る波長領域の光が回折し色が生じるからである。そし
て、この際の回折波長は結晶の構造に依存することが見
出されているからである。

【０００５】だが、コロイド結晶についての興味深い知
見が得られてはいても、回折波長が自在に制御できるも
のとすることは実現されていなかった。そして、フォト
ニックバンドギャップを容易にコントロールすることの
できる技術手段の開発は、依然として重要な課題である
ことにかわりはない。

【０００６】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
のコロイド結晶に注目し、回折波長を変化させ制御する
ことのできる新しい光応答性のコロイド結晶と、これを
さらに発展させて、固体基板上に、フォトニックギャッ
プ構造を制御することのできる回折光素子等の光制御の
新しい手段を提供することを課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、光で相転移が
制御され、回折波長が変化する光応答性のコロイド結晶
であって、電荷をもつ単分散粒子が、光イオン化性物質
を含有する水または有機溶媒に分散されていることを特
徴とする光応答性コロイド結晶を提供する。

【０００８】また、この出願の発明は、第２には、電荷
をもつ単分散粒子と光イオン化性物質が基板上に固定さ
れていることを特徴とする回析光素子を提供する。そし
て、この出願の発明は、第３には、電荷をもつ単分散粒
子が、光イオン化性物質を含有する水または有機溶媒に
分散されているコロイド結晶により、光照射にともなう
相転移で回折波長を変化させることを特徴とする回折波
長制御方法を提供し、第４には、この方法において、光
イオン化性物質の濃度を変更して回析光の波長を変化さ
せる回析波長制御方法を、第５には、前記第２の発明の
回析光素子による回析波長制御方法をも提供する。

【０００９】さらにこの出願の発明は、第６には、電場
によりフォトニックバンド構造が制御される電場光制御
素子であって、電荷をもつ単分散粒子とネマチック液晶
物質とが基板上に固定されていることを特徴とする電場
光制御素子を提供し、第７には、この素子において、電
場の印加によって光透過性を制御することを特徴とする
電場光制御方法をも提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。

【００１１】この出願の第１の発明の光応答性コロイド
結晶は基本的に次の要件を備えている。すなわち、電荷
をもつ単分散粒子が、光イオン化性物質を含む水または
有機溶媒に分散されており、光で相転移が制御され、回
折波長が変化する。

【００１２】つまり、この発明においては、前記のとお
りの「コロイド結晶」として規定されるものであって、
しかも上記要件によって、これまでにない特徴をもつも
のとなっている。

【００１３】電荷をもつ単分散粒子としては、たとえば
ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂等の無機質微
粒子、あるいはその有機物との複合粒子等の各種のもの
であってよく、その粒径は、一般的には数１０００ｎｍ
以下程度のものが適当である。これらの単分散粒子は、
凝集した状態ではなく、各々の粒子が単分散している。

【００１４】このような単分散粒子は、水または有機溶
媒に分散されてコロイド結晶を形成する。すなわち自己
集積化によって周期的配列秩序を形成したものとなる。
この際に、この発明においては、水または有機溶媒は、
粒子の凝集が生じないように、脱イオンしておく。そし
て水または有機溶媒には、光イオン化性物質を含有させ
ておく。光イオン化性物質は、光照射によってイオン化
する物質のことであって、特定の波長の光でイオン化す
ることになる。このような光イオン化性物質としては、
この発明においてはスピロ環化合物や各種の色素物質が
好適なものとして例示される。

【００１５】媒体としての有機溶媒としては、極性溶媒
であることが好ましく、たとえばアルコール類、ハロゲ
ン化炭化水素類、ニトリル類、アミド類、スルホキシド
類等が例示される。

【００１６】光イオン化性物質の種類、その添加量をコ
ントロールすることによって、コロイド結晶の光応答性
の特性が変化されることになる。光イオン化性物質は単
一でもよいし、複数でもよい。また、順次に添加するこ
とによって、コロイド結晶の光応答性を制御することも
できる。そして、この発明の光応答性コロイド結晶にお
いては、当然にも前記の単分数粒子の種類、粒径、密度
等と光イオン化性部質の種類や添加量（濃度）等との関
係により回析波長が変化するように制御される。

【００１７】この発明の光応答性コロイド結晶は、たと
えばシリカ単分散微粒子を用いた場合として示した図１
のように、光イオン化性物質を含有するエタノール等の
溶媒にこのシリカを分散することにより形成される。生
成（結晶化）されたコロイド結晶は、光照射されると光
イオン化性物質がイオン化してシリカ微粒子間の相互作
用が変化する。光イオン化性物質のイオン化によるメル
ティング等の現象によるものである。ここにおいて生起
する相転移は、回折光の波長を変化させることになる。

【００１８】また、この出願の第２の発明においては、
上記のように光応答性が所定のものに、つまり回析波長
が所定のものとするようにされた光応答性コロイド結晶
を構成する電荷をもった単分散粒子と光イオン化性物質
を固体基板、たとえば高分子基板上に固定することによ
って回折光素子とする。基板との接触は、たとえば浸漬
が溶媒蒸発、引上げ等の中線によって可能とされる。固
定された粒子は、回析光素子を構成することになる。

【００１９】たとえば、回折光素子を固体基板上に形成
するための方法としては、図２に例示したように、ま
ず、エタノール等の媒体にシリカ単分散粒子等の固体粒
子を分散させ、この分散液中にガラス等の基板をその一
部もしくは全部浸漬して垂直沈殿法や自然沈殿法等によ
り堆積させ、次いでこの粒子堆積層に対して、基板を８
０〜９０℃程度に加熱した状態でスピロ環化合物等の光
イオン化性物質を加熱蒸発させて蒸着させる方法がより
具体的な方法の一つとして例示される。

【００２０】そしてさらにこの出願の発明では、前記の
ように電荷をもつ単分散粒子とネマチック液晶物質とが
基板上に固定されているものとして電場光制御素子とす
る。この場合にも、上記と同様に単分散粒子を基板に堆
積した後に、ネマチック液晶物質を気相で、あるいは液
相でデポジションすることができる。電場を印加するこ
とからは、基本的には、対向する２枚の基板の間に単分
散粒子とネマチック液晶物質との層を挾むようにするこ
とが考慮される。

【００２１】この電場光制御素子においては、電場の外
部からの印加によってフォトニックバンド構造が制御さ
れ、たとえば光透過性が変化されることになる。そこで
以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明につ
いて説明する。もちろんこの出願の発明は以下の例に限
定されることはない。

【００２２】

【実施例】＜実施例１＞粒径５００ｎｍのと３０１ｎｍ
のＳｉＯ₂単分散粒子を、各々、Malachite Green(MG)
のエタノール液に分散し、数日静置した。微粒子は単独
でコロイド結晶を形成することが知られているが、ＭＧ
の存在下においてもコロイド結晶を形成することが確認
された。

【００２３】図３は、顕微鏡で観察した単分散シリカ
（粒径５００ｎｍ）の周期配列（ｆｃｃの(III) 面）、
粒子間距離８０７ｎｍを例示したものである。また、図
３は、粒径３０１ｎｍの粒子が形成した結晶の９０°の
反射スペクトルを示したものである。そして、この図３
は、ＭＧの濃度が８．５ｗｔ％のものを示している。図
４から分かるように４５０ｎｍに強い反射ピークが観察
された。これは、光がコロイド結晶で回折されるために
現れるピークである。この状態で、３００ｎｍの光を当
てると、回折ピーク強度が減少し、最終的に消えてしま
うのが観測された。これは、紫外線照射を行うことによ
り、ＭＧがイオン化し、その結果微粒子間の相互作用が
減少し、メルティングしたためであると考えられる。

【００２４】さらに、光照射を止めると反射ピークの強
度が時間と共に増大し、コロイド結晶が再形成すること
が分かった（図４）。この時、反射ピークの位置は元の
位置より長波長側に移動していた。さらに、この結晶状
態は準安定状態であり、冷暗所でもとの状態にもどる。

【００２５】このことから、図４の光応答性を示すコロ
イド結晶では、二つの波長を選択できることがわかる。
一方、図５は、ＭＧの濃度を４ｗｔ％とした結晶の場合
の９０°の反射スペクトルを示したものである。５９５
ｎｍ近傍に強い反射ピークが観察される。この状態で３
００ｎｍの光を当てると、回折ピーク強度は減少する。
光照射を止めると反射ピークの強度は時間と共に波長５
９５ｎｍ近傍において回復する。このことから、図５の
光応答性を示すコロイド結晶では一つの波長を選択でき
ることがわかる。

【００２６】以上のように、光でコロイド結晶の相転移
を制御し、回折波長をスイッチすることができた。コロ
イド結晶と原子結晶の類似性から、この発明の光応答性
コロイド結晶は、原子結晶相転移のメカニズムの解明に
も有効な指針を与える。＜実施例２＞図２に従って、ガラス基板上にシリカ単分
散粒子層を形成し、次いでスピロ環化合物からなる光イ
オン化性物質を蒸着して回折光素子を形成した。

【００２７】図６および図７は、この回折光素子につい
て、そのフォトニックバンドギャップの光応答性と、吸
収スペクトルの変化を例示したものである。屈折率が吸
収のところの大きくなることが確認されてもいる。

【００２８】図８は、図７について、波長４００〜８０
０ｎｍについて、Refractive index並びにExtinction c
oefficientとともに拡大して示したものである。図９は
図６〜８とは別の光イオン化性物質（ＳＰ１８２２）を
用いた場合のフォトニックバンドギャップのスイッチを
例示した図である。図８と図９との比較からは、光イオ
ン化性物質が持つ置換基によって、フォトニックバンド
ギャップのスイッチはより完全になることがわかる。

【００２９】なお、基板に固定した回折格子についてさ
らに説明すると、図１０は、シリカのみの場合、ＳＰ２
存在の場合、ＳＰ９９存在の場合の状態を示した顕微鏡
写真である。

【００３０】そして図１１は、それら各々の光応答性を
示したものであって、この発明の場合のフォトニックバ
ンドギャップの光応答性が把握される。＜実施例３＞ＮＥＳＡガラスに単分散シリカ粒子層を堆
積し、次いでネマチック液晶物質（５ＣＢ）を蒸着し
た。このシリカ粒子とネマチック液晶物質との層をＮＥ
ＳＡガラスで挾む構造として電場光制御素子を構成し
た。

【００３１】この素子について、図１２にはＳＥＭ画像
と光透過スペクトルを示した。実線は単分散シリカ粒子
層だけの場合を示し、破線は電場光制御素子の場合を示
している。

【００３２】図１３は、この発明の電場光制御素子につ
いて、外部から印加する電場の大きさを変化させた場合
の光透過スペクトルの変化を示している。さらに図１４
は、外部電場のＯｎおよびＯｆｆにおける、印加電場の
大きさと、透過率の変化（％）との関係を示している。

【００３３】電場光制御素子の作用が確認される。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、回折波長を変化させ制御することのでき
る新しい光応答性のコロイド結晶と回折光素子、これを
用いての回折波長の制御方法を提供することができる。
そして、この発明によって、電場による光制御素子も提
供される。

【００３５】回折波長の制御によって、光スイッチ、光
表示をはじめ光反応の選択的実施等が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光応答性コロイド結晶の形成を示した模式図で
ある。

【図２】この発明の回折光素子の作製法を例示した図で
ある。

【図３】実施例としての単分散シリカの構造を例示した
図面に代わる顕微鏡写真である。

【図４】実施例としての回折光の変化を示した図であ
る。

【図５】図４と異なる濃度の場合の回折光を示した図で
ある。

【図６】粒子を基板に固定した回折光素子のフォトニッ
クバンドギャップの光応答性を例示した図である。

【図７】図６の素子の吸収スペクトルの変化を示した図
である。

【図８】回折光素子の吸収スペクトルの変化を拡大して
示した図である。

【図９】別の光イオン化性物質の場合の反射スペクトル
の変化を例示した図である。

【図１０】回折光素子についてのＳＥＭ写真である。

【図１１】図１０のものの反射スペクトルの変化を例示
した図である。

【図１２】電場光制御素子の光透過スペクトルを例示し
た図である。

【図１３】電場の大きさによる光透過率の変化を例示し
た図である。

【図１４】電場の大きさと光透過率の変化の割合を電場
のｏｎおよびｏｆｆ時について例示した図である。

フロントページの続き (72)発明者藤嶋昭神奈川県川崎市中原区中丸子710−５Ｆターム(参考） 2H049 AA02 AA33 AA43 AA55 2H079 AA02 AA08 AA11 AA13 BA01 BA04 DA06 DA08 DA23 DA24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光で相転移が制御され、回折波長が変化
する光応答性のコロイド結晶であって、電荷をもつ単分
散粒子が、光イオン化性物質を含有する水または有機溶
媒に分散されていることを特徴とする光応答性コロイド
結晶。
【請求項２】電荷をもつ単分散粒子と光イオン化性物
質とが基板上に固定されていることを特徴とする回折光
素子。
【請求項３】電荷をもつ単分散粒子が、光イオン化性
物質を含有する水または有機溶媒に分散されているコロ
イド結晶により、光照射にともなう相転移で回折波長を
変化させることを特徴とする回折波長制御方法。
【請求項４】請求項３の方法において、光イオン化性
物質の濃度を変更して回折光の波長を変化させることを
特徴とする回折波長制御方法。
【請求項５】請求項２の回折光素子によることを特徴
とする回折波長制御方法。
【請求項６】電場によりフォトニックバンド構造が制
御される電場光制御素子であって、電荷をもつ単分散粒
子とネマチック液晶物質とが基板上に固定されているこ
とを特徴とする電場光制御素子。
【請求項７】請求項６の素子において電場の印加によ
って光透過性を制御することを特徴とする電場光制御方
法。