JP2006208057A - プラズモン共鳴構造体，その制御方法，金属ドメイン製造方法 - Google Patents

プラズモン共鳴構造体，その制御方法，金属ドメイン製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
厚み方向とその直交方向のプラズモン共鳴を良好に制御することにより、プラズモン共鳴による電場増強効果の向上を図る。
【解決手段】
金属ドメイン１４が水平面内で所定の間隔で並んでいる金属粒子層１２が、誘電体層１０の中に垂直方向に適当な間隔で積層形成されている。このため、水平方向については、金属粒１４Ａの成長を制御することで、金属ドメイン１４の間隔ΔＷを調整することができる。また、垂直方向については、積層する誘電体層１０Ｂの厚みを制御することで、金属粒子層１２の距離ΔＬを調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズモン共鳴構造体，その制御方法，金属ドメイン製造方法に関し、更に具体的には、プラズモン共鳴の制御に関するものである。
近接場光学においては、表面プラズモンを利用して電場増強効果などの効果を利用することが考案されており、通信，記録媒体など、多方面への応用が検討されている（下記非特許文献１参照）。電場増強効果は、数ナノメートルから数百ナノメートルの微粒子（以下「ナノ微粒子」という）を形成し、その近傍に発生する局在表面プラズモンを利用する。このナノ微粒子の形成は、通常化学的手法，例えばゾルゲル法などを用いて、膜内に３次元的に分散された状態で使用されている。図７にはその一例が示されており、誘電体膜９００中に金属によるナノ微粒子９０２がランダムに分散している。
応用物理第73巻第10号(2004)「表面プラズモンポラリトンの伝播と制御」P1275-1284
ところで、局在表面プラズモンは、膜の厚み方向からナノ微粒子に光を当てると、その直交方向に分布する。従って、局在表面プラズモンを制御するには、厚み方向と、厚み方向に直交する平面内で、別々のモードを考えるべきである。しかし、前述の化学的手法によって得たプラズモン共鳴膜では、３次元的にランダムにナノ微粒子が分散した状態であり、膜の厚み方向とその直交方向について、別々のモードでプラズモン共鳴を制御することができない。このため、プラズモンによる電場増強効果が効率よく使用されていない。
本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、構造体の厚み方向とその直交方向のプラズモン共鳴を良好に制御することである。他の目的は、プラズモン共鳴を制御して、その電場増強効果の向上を図ることである。
前記目的を達成するため、本発明は、誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を複数形成し、プラズモン共鳴を、
(1)前記金属粒子層の距離，
(2)前記金属粒子層に含まれる金属粒子の間隔，
(3)前記(1)及び(2)の両者，
で制御することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、プラズモン共鳴は、誘電体膜の厚み方向における金属粒子層の距離と、前記厚み方向に直交する方向における金属粒子の間隔によって、それぞれ制御される。このため、プラズモン共鳴制御を良好に行うことができ、その電場増強効果の向上を図ることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図１〜図６を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。図１(A)には、本実施例におけるプラズモン共鳴構造体の断面構造が示されている。同図に示すように、誘電体層１０の同図における水平方向に、ナノ微粒子あるいは金属ドメイン（以下、両者を「金属ドメイン」と総称する）１４の層１２を、適当な間隔で積層形成した構造となっている。金属粒子層１２は、金属ドメイン１４が水平面内で間隔を置いて並んだ構成となっている。誘電体層１０としては、例えばＳｉＯ２が使用される。また、金属ドメイン１４としては、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等の金属を使用できる。
このようなドメイン構造の形成は、公知の方法を使用してよいが、例えば、図１(B)〜(D)に示す方法で形成する。まず、図１(B)に示すように、ＳｉＯ２層１０Ａの主面上に金属粒１４Ａを例えばスパッタリングにより形成する。膜形成の初期段階においては、主面全体に金属膜が形成されるのではなく、島状に金属粒１４Ａが付着する。更にスパッタリングを進めると、金属粒１４Ａは、同図(C)に示すように主面上で成長し、金属ドメイン１４となる。次に、同図(D)に示すように、金属ドメイン１４上にＳｉＯ２層１０Ｂを形成する。このような処理を繰り返し行なうことで、図１(A)に示すようなプラズモン共鳴構造体を得ることができる。なお、ＳｉＯ２層１０Ａ，１０Ｂは同じ材料であるため、ＳｉＯ２層１０の中に金属ドメイン１４が「浮いている」ような構造となる。
以上のように、本実施例では、
（１）金属ドメイン１４が水平面内で間隔をおいて並んで金属粒子層１２を形成しており、
（２）この金属粒子層１２が、誘電体層１０中の垂直方向に所定の間隔で積層形成されている，
構造となっている。このため、水平方向については、金属粒１４Ａの成長を制御することで、金属ドメイン１４の間隔ΔＷを調整することができる。また、垂直方向については、積層する誘電体層１０Ｂの厚みを制御することで、金属粒子層１２の距離ΔＬを調整することができる。
次に、以上のようにしてサンプルを作製し、プラズモンの測定を行なった。プラズモンの測定は、サンプルに伝播光を照射し、サンプルによる吸光度を分光光度計で測定することによって行なった。伝播光がプラズモンに変換されると、その程度により吸光度が変化することを示しているためである。
（１）実験例１・・・金属粒子層１２として、Ａｇの単層粒子層を使用し、これをＳｉＯ２による誘電体層中に１層形成した。そして、上述した方法で吸光度を計測したところ、図２に示すような結果が得られた。同図中、横軸は波長（「Wavelength］と表示），縦軸は吸光度（「Abs」と表示）を表す。また、グラフＧＡ１〜ＧＡ５は、スパッタリングの時間を６sec〜２５secまで段階的に変化させたものである。スパッタリングの時間はドメインサイズに対応し、スパッタリング時間が長いほど、ドメインが成長して金属ドメイン１４の間隔ΔＷは小さくなる。
この図２に示すように、いずれにおいても、吸光度にピークが観測されており、これらのピークが、プラズモンの生成による伝播光の損失であると考えられ、本実施例の構造によってプラズモン共鳴が制御されている。また、吸光度のピークは、金属ドメイン１４が大きくなるほど、長波長側にシフトしており、金属ドメイン１４の大きさを制御することによって、プラズモンの共鳴波長帯域の調整を行なうことが可能となる。また、この場合に、粒子間隔が変化するので、ピーク強度の制御も可能となる。
（２）実験例２・・・金属粒子層１２として、ＡｇもしくはＡｌの粒子層を使用し、これをＳｉＯ２による誘電体層中に、距離ΔＬ＝８０nmで複数層形成した。そして、同様に吸光度を測定したところ、図３に示すような結果が得られた。図３(A)に示すグラフＧＢ１〜ＧＢ３は、金属ドメイン１４としてＡｇを使用した場合であり、金属粒子層１２を、それぞれ２層,３層，４層とした場合である。同様に、図３(B)に示すグラフＧＢ４〜ＧＢ７は、金属ドメイン１４としてＡｌを使用した場合であり、金属粒子層１２を、それぞれ２層，３層，４層，５層とした場合である。
まず、図３(A)のＡｇの場合に着目すると、吸光度５４０〜５５０nmを狙って設計した結果、吸光度は、金属粒子層１２が２層で０．９３，３層で１．４２，４層で２．０３となった。これらのグラフＧＢ１〜ＧＢ３を比較すると、積層数が多いほど吸光度も高くなっており、金属ドメイン１４の層数を増加することで、プラズモンの強度の向上を図ることがわかる。
次に、図３(B)のＡｌの場合に着目すると、グラフＧＢ４〜ＧＢ７に示すように、積層数が増すほど、４００nm付近での吸光度のピークも増大する。これにより、高価なＡｇの代わりに安価なＡｌを使用しても十分にプラズモンの生成効果が得られることがわかる。特に、積層数が５層のグラフＧＢ７では、いわゆるブルーレーザに対応する４０５nm領域で１．６３という高い吸光度が得られている。
（３）実験例３・・・次に、Ａｇの金属粒子層１２とＡｌの金属粒子層１２を、距離ΔＬを変化させて、交互に各２層，すなわち全体で４層形成した場合について、図４を参照しながら説明する。距離ΔＬは、
ａ，グラフＧＢ８：ΔＬ＝４０nm
ｂ，グラフＧＢ９：ΔＬ＝８０nm
となっている。両者を比較すると、距離ΔＬが大きいほど、吸光度のピークが同様に高くなっており、プラズモンの生成効果が高いことが分かる。しかし、ピークの位置がＡｇとＡｌの間で生じており、異なる材料を組み合わせることで、波長特性を微調整できることがわかる。一方、上述したように金属粒子層１２の層数によってピーク強度制御が可能なので、それに、金属ドメイン１４の大きさの制御，あるいは、材料の組み合わせによる制御を適用することで、波長特性やピーク強度を自在に設計できるようになる。
（４）実験例４・・・前記例では、いずれも、積層した金属粒子層１２として同一の材料を使用したが、層毎に異なる材料を使用しても、同様の効果を得ることができる。図５には、金属粒子層１２を５層形成した場合であって、各層の材料を、
ａ，グラフＧＣ１：Ａｇ／Ａｇ／Ａｌ／Ａｌ／Ａｌ
ｂ，グラフＧＣ２：Ａｌ／Ａｇ／Ａｌ／Ａｇ／Ａｌ
ｃ，グラフＧＣ３：Ａｇ／Ａｌ／Ａｌ／Ａｌ／Ａｇ
とした場合がそれぞれ示されている。
これらのグラフＧＣ１〜ＧＣ３においても、それぞれピークの位置が変化していることから、材料の組み合わせによっても、波長特性や共鳴量を調整できることがわかる。
（５）実験例５・・・前記例では、いずれも、積層した金属粒子層１２として単一の材料を使用したが、合金を使用しても、同様の効果を得ることができる。図６には、金属粒子層１２を１層形成した場合のドメイン成長過程であって、材料としてＡｇ合金を使用した場合の例が示されている。グラフＧＤ１〜ＧＤ３は、ドメイン間隔及びドメインサイズが異なる。これらのグラフを比較しても、前記例と同様の効果が得られている。なお、グラフＧＥ１，ＧＥ２は、Ａｇのみの場合である。
以上の実験結果をまとめると、
ａ，金属ドメイン１４の間隔ΔＷは、狭いほど吸光度が高くなり、サイズが大きいほど長波長側にピークがシフトする。
ｂ，ΔLが１００nm以下の範囲では、金属粒子層１２の距離ΔＬが大きいほど、吸光度が高くなる。
ｃ，金属粒子層１２の層数は、多いほど吸光度が高くなる。
これらの特徴を利用することで、厚み方向とその直交方向のプラズモン共鳴を良好に制御することができ、これにより、プラズモン共鳴による電場増強効果が向上する。
次に、図７を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。本実施例は、上述した図７(A)のゾルゲル法を用いた従来技術のプラズモン共鳴構造体を、図７(B)に示すように、誘電体膜中に所定の距離をおいて積層形成するようにしたものである。すなわち、誘電体層８００上に、ゾルゲル法によるプラズモン共鳴層８０２を形成するとともに、その上に誘電体層８０４，プラズモン共鳴層８０６，誘電体層８０８を順に積層形成し、プラズモン共鳴構造体を作製したものである。プラズモン共鳴層８０２，８０６の距離を変化させることで、多層化の効果を利用できる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。
本発明によれば、プラズモン共鳴構造体の厚み方向とその直交方向のプラズモン共鳴を良好に制御することができ、電場増強効果が向上するので、各種センサ，光回路素子などに好適である。
本発明の実施例１のプラズモン共鳴構造体の積層構造及び主要な製造過程を示す断面図である。 前記実施例における実験例１の各サンプルの吸光度を示すグラフである。 前記実施例における実験例２の各サンプルの吸光度を示すグラフである。 前記実施例における実験例３の各サンプルの吸光度を示すグラフである。 前記実施例における実験例４の各サンプルの吸光度を示すグラフである。 前記実施例における実験例５の各サンプルの吸光度を示すグラフである。 従来技術と、本発明の実施例２の積層構造を示す断面図である。
符号の説明
１０，１０Ａ，１０Ｂ：誘電体層（ＳｉＯ２層）
１２：金属粒子層
１４：金属ドメイン
１４Ａ：金属粒
８００，８０４，８０８：誘電体層
８０２，８０６：プラズモン共鳴層
９００：誘電体膜
９０２：金属ナノ微粒子
ΔＬ：距離
ΔＷ：間隔

Claims (11)

  1. 誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を複数形成し、
    前記金属粒子層の距離を制御して、プラズモン共鳴を制御することを特徴とするプラズモン共鳴制御方法。
  2. 誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を少なくとも１層形成し、
    前記金属粒子層に含まれる金属粒子の間隔を制御して、プラズモン共鳴を制御することを特徴とするプラズモン共鳴制御方法。
  3. 誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を複数形成し、
    前記金属粒子層の距離を制御して、プラズモン共鳴を制御するとともに、
    前記金属粒子層に含まれる金属粒子の間隔を制御して、プラズモン共鳴を制御する，
    ことを特徴とするプラズモン共鳴制御方法。
  4. 異なる材料により前記金属粒子層を形成し、その組み合わせによって、プラズモンの波長帯域もしくは共鳴量の少なくとも一方を制御する，
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズモン共鳴制御方法。
  5. 誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を複数形成し、
    前記金属粒子層の距離を、所望のプラズモン共鳴を得るための所定値に設定したことを特徴とするプラズモン共鳴構造体。
  6. 誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を少なくとも２層形成し、
    前記金属粒子層に含まれる金属粒子の間隔を、所望のプラズモン共鳴を得るための所定値に設定したことを特徴とするプラズモン共鳴構造体。
  7. 誘電体中に、ナノ微粒子あるいは金属ドメインを含む金属粒子層を複数形成し、
    前記金属粒子層の距離を、所望のプラズモン共鳴を得るための所定値に設定し、
    前記金属粒子層に含まれる金属粒子の間隔を、所望のプラズモン共鳴を得るための所定値に設定した、
    ことを特徴とするプラズモン共鳴構造体。
  8. 前記金属粒子層として、誘電体中にナノ微粒子がランダムに分散したものを使用することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のプラズモン共鳴構造体。
  9. 異なる材料により前記金属粒子層を形成し、その組み合わせによって、プラズモンの波長帯域もしくは共鳴量の少なくとも一方を調整する，
    ことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のプラズモン共鳴構造体。
  10. スパッタリングにより島状状態を制御して、金属ドメインを形成する金属ドメインの製造方法。
  11. 請求項１０記載の金属ドメイン製造方法によって作製した金属ドメインを含むことを特徴とするプラズモン共鳴構造体。

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