JP2008008931A - Manufacturing method of 3-dimensional photonic crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a 3-dimensional photonic crystal which has uniform crystal surface directions, no defective structure and large area by utilizing an electrophoresis of high manufacturing efficiency. <P>SOLUTION: In the manufacturing method of the 3-dimensional photonic crystal having real spherical particles (P) as a constitutional unit, dispersion liquid of the real spherical particles (P) with positive or negative charge is supplied onto a template substrate (Q) having a cavity and the real spherical particles (P) are accumulated in the cavity by applying an electric field opposite to charge of the real spherical particles (P) to an electrode installed at a rear surface of the template substrate (Q). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、微粒子の電気泳動を利用した極めて均一性の高い3次元フォトニック結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a highly uniform three-dimensional photonic crystal using electrophoresis of fine particles.

フォトニック結晶とは、光の波長と同程度の周期的な屈折率変化を有する構造体であって、その周期構造等に対応した光の存在を禁止するフォトニックバンドギャップを有するものである。このフォトニックバンドギャップ等の効果を利用して、LEDや半導体レーザー等の発光素子やセンサー、ディスプレイ、光スイッチなど様々な用途への応用研究が盛んに行われている。特に3次元フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップの効果が大きく、2次元フォトニック結晶よりも高機能なものとして期待されている。
そこで、生産効率の高い3次元フォトニック結晶の製造方法が求められており、微粒子を3次元フォトニック結晶の構成単位として使用する方法が提案されている。具体的には、微粒子を重力で沈降させる自然沈降法、液架橋力や毛細管力で集積する方法などが従来から盛んに研究されている。
A photonic crystal is a structure having a periodic refractive index change equivalent to the wavelength of light, and has a photonic band gap that prohibits the presence of light corresponding to the periodic structure or the like. Utilizing the effects such as the photonic band gap, application research for various uses such as light emitting elements such as LEDs and semiconductor lasers, sensors, displays, and optical switches has been actively conducted. In particular, a three-dimensional photonic crystal has a large effect of a photonic band gap, and is expected to have a higher function than a two-dimensional photonic crystal.
Therefore, a method for producing a three-dimensional photonic crystal with high production efficiency is demanded, and a method for using fine particles as a constituent unit of a three-dimensional photonic crystal has been proposed. Specifically, a natural sedimentation method in which fine particles are sedimented by gravity and a method of accumulating by liquid crosslinking force or capillary force have been actively studied.

しかしながら、自然沈降法、液架橋力や毛細管力で集積する方法は、比較的長いプロセス時間を必要とし、また、実際のデバイスに使用される大面積の3次元フォトニック結晶を製造することは困難である。
これらのプロセス時間を短縮する方法として、遠心力により集積させる方法(非特許文献1)や電気泳動法により集積する方法(以下、「電気泳動法」と称する)(非特許文献2、3、4)が提案されている。この2つの方法によれば、プロセス時間を大幅に短縮することが可能である。
特に、電気泳動法は、電極の位置を変えることにより様々な微粒子集積パターンを形成することができ、かつ、遠心力を使用する方法よりもプロセス時間を短縮することが可能であるため、非常に優れた製造方法である。
However, the natural sedimentation method, the method of accumulating by liquid crosslinking force and capillary force requires a relatively long process time, and it is difficult to produce a large-area three-dimensional photonic crystal used in an actual device. It is.
As a method for shortening these process times, a method of collecting by centrifugal force (Non-Patent Document 1) and a method of collecting by electrophoresis (hereinafter referred to as “electrophoresis”) (Non-Patent Documents 2, 3, and 4) ) Has been proposed. According to these two methods, it is possible to greatly reduce the process time.
In particular, the electrophoresis method can form various fine particle accumulation patterns by changing the position of the electrode, and can shorten the process time as compared with the method using centrifugal force. It is an excellent manufacturing method.

一方、自然沈降法などと同じように、電気泳動法においても、大面積において欠陥構造のない3次元フォトニック結晶を製造することは困難である。
また、発光素子やセンサー、ディスプレイ等のデバイスを高性能化するためには、欠陥構造が存在しないだけでなく、結晶面の方向がそろっていることが重要となるが、従来の電気泳動法においては、結晶面方向がそろった欠陥構造のない大面積の3次元フォトニック結晶の製造方法については提案されていない。
On the other hand, as in the natural precipitation method, it is difficult to produce a three-dimensional photonic crystal having a large area and having no defect structure in the electrophoresis method.
In addition, in order to improve the performance of devices such as light emitting elements, sensors, and displays, it is important that not only the defect structure does not exist, but also the orientation of the crystal plane is aligned. Has not been proposed for a method for producing a large-area three-dimensional photonic crystal having a defect structure with aligned crystal plane directions.

J.W.Wu et.al.,J.Korean Physical Soc., vol.45,108,2004J. et al. W. Wu et. al. , J .; Korean Physical Soc. , Vol. 45, 108, 2004 粒子集積化技術の世界(編者;物質・材料研究機構粒子アセンブル研究会、発行;工業調査会)The world of particle integration technology C.Lopez et.al.,Langmuir., vol.15,4701,1999C. Lopez et. al. Langmuir. , Vol. 15, 4701, 1999 G.A.Ragoisha et.al.,J.chem.Mater., vol.12,2721,2000G. A. Ragoisha et. al. , J .; chem. Mater. , Vol. 12, 2721, 2000

即ち、本発明の目的は、生産効率が高い電気泳動法を利用して、結晶面方向がそろった欠陥構造のない大面積の3次元フォトニック結晶の製造方法を提供することである。   That is, an object of the present invention is to provide a method for producing a large-area three-dimensional photonic crystal having a defect structure with a uniform crystal plane direction using an electrophoresis method with high production efficiency.

本発明の製造方法は、真球状粒子(P)を構成単位とする3次元フォトニック結晶の製造方法であって、窪みを有するテンプレート基板(Q)上に、正又は負の電荷を有する真球状粒子(P)の分散液を供給して、テンプレート基板(Q)の背面に設置した電極に真球状粒子(P)の有する電荷と逆の電界を印加することにより、窪みに真球状粒子(P)を集積することを特徴とする。   The production method of the present invention is a method for producing a three-dimensional photonic crystal having a spherical particle (P) as a structural unit, and a spherical shape having a positive or negative charge on a template substrate (Q) having a depression. By supplying a dispersion of particles (P) and applying an electric field opposite to the charge of the spherical particles (P) to the electrodes placed on the back of the template substrate (Q), the spherical particles (P ).

本発明の製造方法によれば、電気泳動法を利用しているため生産効率が高く、かつ、窪みを有するテンプレート基板(Q)の効果により結晶面方向がそろった欠陥構造のない大面積の3次元フォトニック結晶を製造することが可能である。   According to the manufacturing method of the present invention, since the electrophoresis method is used, the production efficiency is high, and the large area 3 having no defect structure in which the crystal plane directions are aligned due to the effect of the template substrate (Q) having the depressions. It is possible to produce a two-dimensional photonic crystal.

本発明において、3次元フォトニック結晶とは、光の波長と同程度の周期的な屈折率変化を3次元的に有する構造体と定義され、周期的な屈折率変化は真球状粒子(P)の集積体とその粒子間に充填される物質により構成される。ここで3次元的とは多層構造であることを意味し、単層構造又は2次元フォトニック結晶と機能的に差異がない少層構造は含まない。層数としては、用途により好ましい数はことなるが、3次元フォトニック結晶の機能を発揮するためには、少なくとも3層以上であることが好ましく、更に好ましくは4層以上、特に好ましくは5層以上である。
粒子間に充填される物質としては、気体、液体、固体のいずれも使用することができ、本発明においては特に限定されるものではなく、液体又は固体を粒子間に充填することも可能である。液体又は固体を粒子間に充填した3次元フォトニック結晶としては、液晶を充填した電圧制御により光学特性が変化するフォトニック結晶やシリコン等を蒸着して充填した後、真球状粒子(P)を溶解等により除去した逆面心立方格子構造のフォトニック結晶などが研究されている。
但し、粒子間に充填される物質は、一般的には空気又は空気のような不活性な気体であり、無形のものであるため、真球状粒子(P)の集積体が3次元フォトニック結晶であると言うことができる。
In the present invention, the three-dimensional photonic crystal is defined as a structure having a three-dimensional periodic refractive index change equivalent to the wavelength of light, and the periodic refractive index change is a spherical particle (P). And a substance filled between the particles. Here, “three-dimensional” means a multilayer structure, and does not include a single-layer structure or a small-layer structure that is not functionally different from a two-dimensional photonic crystal. The number of layers varies depending on the application, but in order to exhibit the function of the three-dimensional photonic crystal, it is preferably at least 3 layers, more preferably 4 layers or more, particularly preferably 5 layers. That's it.
As the substance filled between the particles, any of gas, liquid, and solid can be used. In the present invention, the substance is not particularly limited, and liquid or solid can be filled between the particles. . As a 3D photonic crystal filled with liquid or solid between particles, after depositing and filling photonic crystal or silicon etc. whose optical properties are changed by voltage control filled with liquid crystal, the spherical particles (P) A photonic crystal having a reverse face-centered cubic lattice structure removed by melting or the like has been studied.
However, the material filled between the particles is generally air or an inert gas such as air, and is intangible, so the aggregate of spherical particles (P) is a three-dimensional photonic crystal. It can be said that.

本発明の3次元フォトニック結晶は、真球状微粒子(P)を構成単位とするものであって、一定の規則性、即ち、周期性を有するように集積した構造体である必要があり、その周期構造は、立方最密充填構造及び六方最密充填構造の少なくとも一方である。
ここで立方最密充填構造及び六方最密充填構造とは、いずれも最密充填構造であって、充填率は74体積%である。
立方最密充填構造は、面心立方格子構造とも呼ばれ、正四角形の単位格子の各頂点および各面の中心に粒子が位置し、最稠密面をABCABCABCの順に重ねた構造となっている。
六方最密充填構造は、単位格子を正六角柱で表し、この正六角柱の上面および底面の各角および中心と、六角柱の内部で高さ 1/2 のところに 3 つの粒子が存在する。底面の中心に位置する原子は、底面の角の 6 粒子および上下の各3粒子(計 12 粒子)と接しており、最稠密面をABABABの順に重ねた構造となっている。
真球状粒子(P)を生産効率よく、一定の規則性、即ち、周期性を有するように集積して得られる構造としては、立方最密充填構造又は六方最密充填構造であり、通常は両方の構造が混合した構造となる。本発明においては、窪みを有するテンプレート基板(Q)を使用するため、混合結晶ではなく、立方最密充填構造のみからなる単結晶構造を作製することができる。
The three-dimensional photonic crystal of the present invention has a spherical unit (P) as a structural unit, and must have a regular structure, that is, a structure that is integrated so as to have periodicity. The periodic structure is at least one of a cubic close-packed structure and a hexagonal close-packed structure.
Here, the cubic close-packed structure and the hexagonal close-packed structure are both close-packed structures, and the filling rate is 74% by volume.
The cubic close-packed structure is also called a face-centered cubic lattice structure, and has a structure in which particles are positioned at the vertices of the regular tetragonal unit cell and the center of each surface, and the close-packed surfaces are stacked in the order ABCCABBC.
In the hexagonal close-packed structure, the unit cell is represented by a regular hexagonal column, and there are three particles at each corner and center of the top and bottom surfaces of this regular hexagonal column and at a height of 1/2 inside the hexagonal column. The atom located in the center of the bottom is in contact with the 6 particles at the corner of the bottom and 3 particles above and below (12 particles in total), and has the structure in which the most dense surfaces are stacked in the order of ABABAB.
The structure obtained by accumulating the spherical particles (P) with high production efficiency and constant regularity, ie, periodicity, is a cubic close packed structure or a hexagonal close packed structure, usually both The structure becomes a mixed structure. In the present invention, since a template substrate (Q) having a depression is used, a single crystal structure consisting only of a cubic close-packed structure, not a mixed crystal, can be produced.

テンプレート基板(Q)としては、微粒子を規則的に集積できる基板であれば種々の基板を使用することができるが、微粒子が3次元的に集積されるような窪みが形成された基板を使用する必要がある。この窪みの形状等により、得られる3次元フォトニック結晶の形状やサイズが決定される。従って、均一性の高い3次元フォトニック結晶を作製するためには、精度良く窪みのサイズが揃った基板が必要である。
テンプレート基板(Q)を構成する材料としては、シリコンやシリカ、酸化チタン等の無機化合物からなるものやアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂や感光性樹脂などの合成ポリマー等からなるものを使用することができる。
As the template substrate (Q), various substrates can be used as long as they can regularly collect fine particles. However, a substrate in which depressions are formed so that fine particles are three-dimensionally integrated is used. There is a need. The shape and size of the obtained three-dimensional photonic crystal are determined by the shape of the depression. Therefore, in order to produce a highly uniform three-dimensional photonic crystal, a substrate with a uniform recess size is required.
As a material constituting the template substrate (Q), use a material made of an inorganic compound such as silicon, silica, titanium oxide or a material made of a synthetic polymer such as an acrylic resin, an epoxy resin, a polyimide resin, or a photosensitive resin. Can do.

窪みが形成されたテンプレート基板(Q)の窪みの形状としては、四角錐型(図1)、円錐型、六角錐型、溝の延長方向に対して垂直な断面が台形や三角形(V溝と記載する。)等の形状である溝型(図2)などが挙げられる。ここで溝とは、細長い形状の窪みを意味する。これらの形状のうち、得られる3次元フォトニック結晶の均一性向上等の観点から、四角錐型(図1)又はV溝型(図2)であることが好ましい。
窪みの断面のサイズ(μm)としては、1〜10000であることが好ましく、更に好ましくは短径が5〜1000、特に好ましくは10〜100であり、サイズがこの範囲内であれば短径と長径が存在する溝型であってもよい。
窪みの深さ(μm)としては、1〜1000であることが好ましく、更に好ましくは5〜500、特に好ましくは10〜100である。深さがこの範囲内であれば、多層構造の3次元フォトニック結晶を作製することができ、その均一性がさらに良好なものとなる。
The shape of the template substrate (Q) in which the depression is formed is a quadrangular pyramid shape (Fig. 1), a cone shape, a hexagonal pyramid shape, or a trapezoidal or triangular shape (with V groove). And the like (see Fig. 2). Here, the groove means an elongated recess. Among these shapes, from the viewpoint of improving the uniformity of the obtained three-dimensional photonic crystal, it is preferably a quadrangular pyramid type (FIG. 1) or a V-groove type (FIG. 2).
The size (μm) of the cross section of the depression is preferably 1 to 10000, more preferably 5 to 1000, and particularly preferably 10 to 100. If the size is within this range, the minor axis It may be a groove type having a long diameter.
The depth (μm) of the depression is preferably 1 to 1000, more preferably 5 to 500, and particularly preferably 10 to 100. If the depth is within this range, a three-dimensional photonic crystal having a multilayer structure can be produced, and the uniformity thereof is further improved.

窪みの形状としては、前述のように四角錐型又はV溝型が好ましいが、さらに具体的には、表面が(100)面又は(110)面であるシリコン基板を異方性エッチングすることにより作製される(111)面を表面に持つ窪みが好ましい。表面が(100)面であるシリコン基板を異方性エッチングすると、基板表面と54.74°をなす図1のような四角錐型の窪み又は図2のようなV溝が形成される。表面が(100)面であるシリコン基板を異方性エッチングすると、基板表面と35.27°をなす窪みが形成される。
この異方性エッチングによる窪みを有するテンプレート基板(Q)に、微粒子スラリーを供給して適正な条件下で集積させることにより、面心立方格子構造のみからなる単結晶性の3次元フォトニック結晶を作製することができる。結晶格子構造を制御することにより極めて均一性の高い大表面積の3次元フォトニック結晶を作製することが可能になる。
As described above, the shape of the depression is preferably a quadrangular pyramid type or a V-groove type, but more specifically, by anisotropically etching a silicon substrate whose surface is a (100) plane or a (110) plane. A depression having a (111) plane on the surface is preferable. When a silicon substrate having a (100) surface is anisotropically etched, a quadrangular pyramid-shaped depression as shown in FIG. 1 or a V-groove as shown in FIG. 2 forming 54.74 ° with the substrate surface is formed. When a silicon substrate having a (100) surface is anisotropically etched, a depression that forms 35.27 ° with the substrate surface is formed.
A single-crystal three-dimensional photonic crystal consisting only of a face-centered cubic lattice structure can be obtained by supplying fine particle slurry and accumulating it under appropriate conditions on the template substrate (Q) having a depression by anisotropic etching. Can be produced. By controlling the crystal lattice structure, it is possible to produce a highly uniform and large surface area three-dimensional photonic crystal.

具体的な異方性エッチングによる窪みを有するテンプレート基板(Q)の作製方法を一辺が1cmの表面に(100)面を有するシリコン基板を原料基板として説明する。
一辺1cmのシリコン基板を1000℃で1.5時間、大気中で加熱することにより酸化膜を形成した後、ピラニア液(硫酸と30%過酸化水素水を体積比1:9で混合したもの)にて洗浄して有機物を完全に除去した。
乾燥後、スピンコーターによりレジストを塗布し、約400nmの膜厚のレジスト膜をシリコン基板上に形成した(180℃で3分間プリベーク)。レジストはαメチルスチレン-αクロロアクリレート共重合体(ZEP520(ポジ型レジスト)、日本ゼオン社製)を使用した。
このレジスト膜に電子線描画装置にて適当な窪み断面のサイズに対応するようにパターンを描画した後、現像液(ZEP-RD、日本ゼオン社製)に浸漬してマスクパターンを作製した。
BHF(フッ化アンモニウムとフッ酸を体積比1:9で混合したもの)に数分間浸漬して酸化膜のみを取り除いた後、水酸化カリウム(30%)とイソプロピルアルコール(12%)からなる水溶液に1時間浸漬して、異方性エッチングを行った。最後に、酸化膜をBHFにて取り除いて、基板表面と54.74°をなす図1又は図2のような四角錐型やV溝型の窪みを有するテンプレート基板(Q)を得ることができる。
A specific method for producing a template substrate (Q) having depressions by anisotropic etching will be described using a silicon substrate having a (100) plane on a surface having a side of 1 cm as a raw material substrate.
An oxide film is formed by heating a silicon substrate with a side of 1 cm at 1000 ° C for 1.5 hours in the air, and then using a piranha solution (a mixture of sulfuric acid and 30% hydrogen peroxide in a volume ratio of 1: 9). Washing to completely remove organic matter.
After drying, a resist was applied by a spin coater, and a resist film having a thickness of about 400 nm was formed on a silicon substrate (prebaked at 180 ° C. for 3 minutes). As the resist, α-methylstyrene-α-chloroacrylate copolymer (ZEP520 (positive resist), manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was used.
A pattern was drawn on the resist film by an electron beam drawing apparatus so as to correspond to the size of an appropriate depression cross section, and then immersed in a developer (ZEP-RD, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) to prepare a mask pattern.
An aqueous solution consisting of potassium hydroxide (30%) and isopropyl alcohol (12%) after being immersed in BHF (a mixture of ammonium fluoride and hydrofluoric acid at a volume ratio of 1: 9) for several minutes to remove only the oxide film. For 1 hour to perform anisotropic etching. Finally, the oxide film is removed with BHF to obtain a template substrate (Q) having a quadrangular pyramid-shaped or V-groove-shaped depression as shown in FIG. 1 or 2 that forms 54.74 ° with the substrate surface.

テンプレート基板(Q)に形成された窪みの間隔は、0又は構成単位である微粒子の直径の整数倍であることが好ましい。
ここで窪みの間隔とは、図3に示すように、窪みのエッジ間の間隔を意味する。図3において、窪みの間隔はDである。
窪みの間隔が前述の条件を満たすと、後述の窪みの形状に従った微粒子集積体を有する層(A)上部に連続的な微粒子集積層(A')を形成しやすくなる。ここで窪みの間隔が0とは、図4に示すように、窪みのエッジが他方の窪みのエッジと重なる場合を意味する。すなわちDがOの場合である。
窪みの間隔は電子線描画の条件により制御することができる。
The interval between the depressions formed in the template substrate (Q) is preferably 0 or an integer multiple of the diameter of the fine particles as the constituent unit.
Here, the space | interval of a hollow means the space | interval between the edges of a hollow, as shown in FIG. In FIG. 3, the interval between the recesses is D.
When the interval between the recesses satisfies the above-described conditions, it becomes easy to form a continuous particle accumulation layer (A ′) on the layer (A) having a particle accumulation body according to the shape of the depression described later. Here, the interval between the recesses is 0, as shown in FIG. 4, when the edge of the recess overlaps the edge of the other recess. That is, D is O.
The space between the depressions can be controlled by the electron beam drawing conditions.

正又は負の電荷を有する真球状粒子(P)としては、種々の組成からなる微粒子を使用することができる。
微粒子の組成としては、特に制限されず、種々の樹脂や金属化合物などを使用することができる。スチレン、メチルメタクリレートを主要成分とするポリマーやシリカ等の金属酸化物からなる粒子は、公知の方法により容易に合成することができる。例えば、スチレンを主要成分とする場合、乳化重合法、懸濁重合法、ソープフリー乳化重合法等が挙げられ、シリカの場合、ゾルゲル法等が挙げられる。前述の好ましい平均粒子径及び粒度分布を有する真球状粒子は数多く市販されており、それらの市販品を使用することもできる。
カーボンブラックやバーミリオンなどの顔料を内部に分散して着色した真球状単分散微粒子(P)を使用することもできる。
また、真球状粒子(P)の屈折率は、1.3以上3.0以下であることが好ましく、更に好ましくは1.4以上2.9以下、特に好ましくは1.5以上2.8以下である。屈折率がこの範囲であると、フォトニックバンドギャップが大きくなり、反射光の波長範囲が広がり、また、反射光の強度も強くなる。
なお、真球状単分散微粒子(P)の屈折率は、組成に由来することが多く、酸化チタンやジルコニアなどを使用することが好ましい。
As the spherical particles (P) having a positive or negative charge, fine particles having various compositions can be used.
The composition of the fine particles is not particularly limited, and various resins and metal compounds can be used. Particles made of a polymer mainly composed of styrene or methyl methacrylate or a metal oxide such as silica can be easily synthesized by a known method. For example, when styrene is the main component, an emulsion polymerization method, a suspension polymerization method, a soap-free emulsion polymerization method, and the like can be mentioned. In the case of silica, a sol-gel method and the like can be mentioned. Many spherical particles having the above-mentioned preferable average particle diameter and particle size distribution are commercially available, and those commercially available products can also be used.
It is also possible to use true spherical monodisperse fine particles (P) in which pigments such as carbon black and vermilion are dispersed and colored.
The refractive index of the true spherical particles (P) is preferably 1.3 or more and 3.0 or less, more preferably 1.4 or more and 2.9 or less, and particularly preferably 1.5 or more and 2.8 or less. When the refractive index is within this range, the photonic band gap is increased, the wavelength range of the reflected light is expanded, and the intensity of the reflected light is increased.
The refractive index of the true spherical monodisperse fine particles (P) is often derived from the composition, and it is preferable to use titanium oxide, zirconia, or the like.

真球状粒子(P)は、正又は負の電荷を有する必要があり、電荷を付与する方法としては公知の方法を使用することができる。
真球状粒子(P)は、後述のように分散液の形態で供給する必要があり、分散液の溶媒の種類により電荷を付与する方法を変更することが好ましく、水系液体、非水系液体の各々において下記のような方法とすることが好ましい。
The spherical particles (P) need to have a positive or negative charge, and a known method can be used as a method for imparting a charge.
The spherical particles (P) need to be supplied in the form of a dispersion as described later, and it is preferable to change the method of imparting charge depending on the type of solvent of the dispersion, and each of the aqueous liquid and non-aqueous liquid It is preferable to use the following method.

水系液体に分散する場合には、イオン性基を真球状粒子(P)に導入する方法が好ましい。例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、水酸基等のアニオン性基を導入すれば負電荷を付与することができ、アミノ基等のカチオン性基を導入すれば正電荷を付与することができる。導入方法としては、これらの置換基を有するモノマーを合成時に使用する方法やこれらの置換基を有するシランカップリング剤等の改質剤を合成後に添加する方法などが挙げられる。また、PHの調整、塩化ナトリウムや塩化カリウム等の無機塩の添加などにより電荷量を用意に調整することが可能である。
非水系液体に分散する場合には、荷電制御剤を使用する方法や酸塩基解離を使用する方法が好ましい。荷電制御剤としては、公知の荷電制御剤を使用することができ、例えば、アクリベースM型シリーズ、アクリベースL型シリーズ(藤倉化成社製)などが挙げられる。
酸塩基解離を使用する方法とは、真球状粒子(P)表面の塩基又は酸と非水系液体に溶解している酸又は塩基との間で起こる酸塩基解離により正又は負の電荷を付与する方法であり、真球状粒子(P)表面に塩基が存在して、非水系液体に酸が溶解している場合には、正の電荷を付与することができる。例えば、アミノ基を真球状粒子(P)表面に導入して、非水系液体中にカルボン酸基を有するオリゴマーなどを溶解した場合が挙げられる。
In the case of dispersing in an aqueous liquid, a method of introducing an ionic group into the true spherical particles (P) is preferable. For example, a negative charge can be imparted by introducing an anionic group such as a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, or a hydroxyl group, and a positive charge can be imparted by introducing a cationic group such as an amino group. Examples of the introduction method include a method of using monomers having these substituents at the time of synthesis and a method of adding a modifier such as a silane coupling agent having these substituents after the synthesis. In addition, the amount of charge can be adjusted in advance by adjusting the pH or adding an inorganic salt such as sodium chloride or potassium chloride.
In the case of dispersing in a non-aqueous liquid, a method using a charge control agent or a method using acid-base dissociation is preferable. As the charge control agent, a known charge control agent can be used, and examples thereof include an acrylic base M type series and an acrylic base L type series (manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.).
In the method using acid-base dissociation, a positive or negative charge is imparted by acid-base dissociation occurring between the base or acid on the surface of the spherical particle (P) and the acid or base dissolved in the non-aqueous liquid. In this method, when a base is present on the surface of the spherical particles (P) and the acid is dissolved in the non-aqueous liquid, a positive charge can be imparted. For example, the case where an amino group is introduced into the surface of a true spherical particle (P) and an oligomer having a carboxylic acid group is dissolved in a non-aqueous liquid can be mentioned.

真球状粒子(P)の数平均粒子径としては、用途によっても好ましい範囲は異なるが、可視光を制御する発光素子やディスプレイなどのデバイスにフォトニック結晶を使用する場合には、100nm以上700nm以下であることが好ましく、更に好ましくは120nm以上500nm以下であり、特に好ましくは150nm以上300nm以下である。
微粒子の粒度分布はシャープなものであることが好ましく、具体的には変動係数が3%以下であることが好ましく、2%以下が更に好ましく、1.5%以下が特に好ましい。ここで変動係数とは、標準偏差を平均値で除した値の百分率を意味する。
粒度分布がこの範囲内であると、極めて欠陥が少なく、均一性の高いフォトニック結晶を作製することが可能となる。
As the number average particle diameter of the true spherical particles (P), the preferred range varies depending on the application, but when using a photonic crystal for a device such as a light emitting element or a display for controlling visible light, 100 nm to 700 nm. More preferably, it is 120 nm or more and 500 nm or less, and particularly preferably 150 nm or more and 300 nm or less.
The particle size distribution of the fine particles is preferably sharp, and specifically, the coefficient of variation is preferably 3% or less, more preferably 2% or less, and particularly preferably 1.5% or less. Here, the variation coefficient means a percentage of a value obtained by dividing the standard deviation by the average value.
When the particle size distribution is within this range, it is possible to produce a photonic crystal with very few defects and high uniformity.

真球状微粒子(P)は、分散液として供給し、テンプレート基板(Q)の背面に設置した電極に真球状粒子(P)の有する電荷と逆の電界を印加することにより、窪みに真球状粒子(P)を集積される。
真球状粒子(P)をそのまま使用するのではなく、分散液として使用する。分散液として使用するのは、粒子に機動性を持たせるためである。溶媒がない場合又は溶媒が蒸発してなくなった場合、粒子間や粒子と基板間において直ちに固着が起こり、粒子の機動性が無くなるため、均一性の高い3次元フォトニック結晶を作製することができないからである。
溶媒としては、水(イオン交換水、超純水等を含む)、アルコール類(メタノール、エタノール、ブタノールなど)、汎用有機溶剤(アセトン、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、トルエンなど)又はこれらの混合物を使用することができる。これらのうち好ましくは、水(イオン交換水、超純水等を含む)、アルコール類(メタノール、エタノール、ブタノールなど)及びこれらと汎用有機溶剤の混合溶液であり、更に好ましくは、水(イオン交換水、超純水等を含む)及びアルコール類(メタノール、エタノール、ブタノールなど)である。
本発明において真球状粒子(P)の集積ドライビングフォースは電界であり、所謂、電気泳動法を使用することを特徴とするものである。フォトニック結晶の生産効率を高め、更に従来の方法では作製することが困難である均一性の高い周期構造単位の小さな3次元フォトニック結晶を作製することが可能となる。
Spherical particles (P) are supplied as a dispersion and applied to the electrodes placed on the back side of the template substrate (Q) by applying an electric field opposite to the charge of the spherical particles (P) to form spherical particles in the depressions. (P) is accumulated.
The spherical particles (P) are not used as they are, but are used as a dispersion. The reason why it is used as a dispersion is to give particles mobility. When there is no solvent, or when the solvent is not evaporated, the solidification occurs immediately between the particles or between the particle and the substrate, and the mobility of the particles is lost. Therefore, a highly uniform three-dimensional photonic crystal cannot be produced. Because.
As a solvent, water (including ion-exchanged water, ultrapure water, etc.), alcohols (methanol, ethanol, butanol, etc.), general-purpose organic solvents (acetone, tetrahydrofuran, methyl ethyl ketone, toluene, etc.) or a mixture thereof should be used. Can do. Of these, water (including ion-exchanged water, ultrapure water, etc.), alcohols (methanol, ethanol, butanol, etc.) and a mixed solution of these and a general-purpose organic solvent are preferred, and water (ion-exchanged water) is more preferred. Water, ultrapure water, etc.) and alcohols (methanol, ethanol, butanol, etc.).
In the present invention, the integrated driving force of the spherical particles (P) is an electric field, and is characterized by using a so-called electrophoresis method. It is possible to increase the production efficiency of the photonic crystal and to produce a three-dimensional photonic crystal having a small periodic structure unit with high uniformity, which is difficult to produce by a conventional method.

電気泳動法による真球状微粒子(P)の集積は、テンプレート基板(Q)の背面に電極を設置して、この電極に真球状粒子(P)の有する電荷と逆の電界を印加することにより行われる。
テンプレート基板(Q)の背面に電極を設置する方法としては、アルミニウムやニッケル製等の金属薄板をテンプレート基板(Q)の背面、即ち、窪みの形成された真球状粒子(P)が集積される面と逆の面に接触させる方法が挙げられる。接触させるとは、接着剤等を使用せずに集積処理後には容易に外すことができる状態を意味する。
テンプレート基板(Q)の背面に接触させた金属薄板からなる電極に、真球状粒子(P)の有する電荷と逆の電界を印加することにより、真球状粒子(P)がテンプレート基板(Q)の窪みに集積される。
Accumulation of spherical particles (P) by electrophoresis is performed by placing an electrode on the back of the template substrate (Q) and applying an electric field opposite to the charge of the spherical particles (P) to this electrode. Is called.
As a method of installing the electrode on the back surface of the template substrate (Q), the back surface of the template substrate (Q), that is, the spherical particles (P) having depressions are accumulated on a thin metal plate made of aluminum or nickel. The method of making it contact the surface opposite to a surface is mentioned. Contacting means a state that can be easily removed after the accumulation process without using an adhesive or the like.
By applying an electric field opposite to the charge of the true spherical particles (P) to the electrode made of a thin metal plate brought into contact with the back surface of the template substrate (Q), the true spherical particles (P) are removed from the template substrate (Q). Accumulated in the depression.

印加する電界の強さとしては、使用する分散液、粒子径や粒子の比重により好ましい強さは異なるが、生産速度向上の観点からは強い方がよい。但し、規則性の高い均一な3次元フォトニック結晶を作製するためには、電界の強さだけでなく、電圧印加時間、真球状粒子(P)の濃度、真球状粒子(P)の電荷、テンプレート基板表面の性質等のパラメーターを最適化する必要がある。
例えば、電界の強さとしては、真球状粒子(P)が数平均粒子径が300nm、ゼータ電位が22mVの負電荷を有する粒子であって、分散液の溶媒が水とエタノールの混合溶液の場合、0.1〜3.0Vであることが好ましく、更に好ましくは0.5〜2.5V、特に好ましくは0.7〜2Vである。
処理時間としては、電界の強さによっても異なるが、0.1〜60分であることが好ましく、更に好ましくは0.5〜30分、特に好ましくは1〜15分である。
真球状粒子(P)の分散液中の濃度としては、0.01〜20重量%であることが好ましく、更に好ましくは0.02〜15重量%、特に好ましくは0.05〜10重量%である。
真球状粒子(P)の分散液の調製方法としては、真球状粒子(P)を溶媒に界面活性剤や超音波分散機を使用して分散することにより調製できるが、溶媒中にて原料モノマーから合成して、そのまま真球状粒子(P)分散液として用いることが好ましい。
The strength of the applied electric field varies depending on the dispersion to be used, the particle diameter and the specific gravity of the particles, but is preferably stronger from the viewpoint of improving the production rate. However, in order to produce a highly regular and uniform 3D photonic crystal, not only the strength of the electric field, but also the voltage application time, the concentration of the spherical particles (P), the charge of the spherical particles (P), It is necessary to optimize parameters such as the properties of the template substrate surface.
For example, regarding the strength of the electric field, when the spherical particles (P) are negatively charged particles having a number average particle diameter of 300 nm and a zeta potential of 22 mV, and the solvent of the dispersion is a mixed solution of water and ethanol 0.1 to 3.0 V, more preferably 0.5 to 2.5 V, and particularly preferably 0.7 to 2 V.
The treatment time varies depending on the strength of the electric field, but is preferably 0.1 to 60 minutes, more preferably 0.5 to 30 minutes, and particularly preferably 1 to 15 minutes.
The concentration of the spherical particles (P) in the dispersion is preferably 0.01 to 20% by weight, more preferably 0.02 to 15% by weight, and particularly preferably 0.05 to 10% by weight.
As a method for preparing a dispersion of true spherical particles (P), it can be prepared by dispersing the true spherical particles (P) in a solvent using a surfactant or an ultrasonic disperser. It is preferable to use it as a dispersion of spherical particles (P) as it is.

テンプレート基板(Q)の窪み中に作製された3次元フォトニック結晶は、粒子同士を固定化することにより、周期構造を崩すことなくテンプレート基板(Q)から取り出すことができる。
粒子同士を固定化する方法としては、熱有着する方法が一般的であり、真球状粒子(P)が有機化合物からなる場合だけでなく、無機化合物からなる場合にも適用することができる。例えば、真球状粒子(P)がポリスチレンからなる場合には、90℃付近にて1〜5分程度熱処理することにより固定化することができ、シリカの場合も500℃付近にて1〜5分程度熱処理することにより固定化することができる。
その他の方法としては、真球状粒子(P)に反応性官能基を導入し、その官能基と反応する基を有する架橋剤を加えて化学的に結合する方法が挙げられる。
テンプレート基板(Q)から取り出さずに使用する場合には、粒子同士はヴァンデルワールス力或いは静電的引力等により物理的に吸着しているので、上記のような固定化を行わなくてもよい場合がある。
テンプレート基板(Q)から取り出す具体的な方法としては、上記の方法により固定化した3次元フォトニック結晶を粘着テープ等を表面に付着させて物理的に取り出す方法やテンプレート基板(Q)を酸やアルカリ、有機溶剤等を使用して除去する方法等が挙げられる。
The three-dimensional photonic crystal produced in the recess of the template substrate (Q) can be taken out from the template substrate (Q) without breaking the periodic structure by fixing the particles to each other.
As a method of immobilizing particles, a method of thermally adhering is common, and the method can be applied not only when the spherical particles (P) are made of an organic compound but also when it is made of an inorganic compound. For example, when the spherical particles (P) are made of polystyrene, they can be fixed by heat treatment at around 90 ° C. for about 1 to 5 minutes, and in the case of silica at 1 to 5 minutes at around 500 ° C. It can be fixed by heat treatment to some extent.
As other methods, a method in which a reactive functional group is introduced into the spherical particles (P) and a cross-linking agent having a group that reacts with the functional group is added and chemically bonded is exemplified.
When using without removing from the template substrate (Q), the particles are physically adsorbed by van der Waals force or electrostatic attraction, etc. There is.
As a specific method of removing from the template substrate (Q), a method of physically removing the 3D photonic crystal fixed by the above method by attaching an adhesive tape or the like to the surface, or removing the template substrate (Q) with acid or Examples of the method include removal using an alkali or an organic solvent.

3次元フォトニック結晶の単結晶性、結晶面方向、欠陥構造など均一性に関する評価方法としては、反射スペクトルを測定する方法、電子顕微鏡で観察する方法、肉眼にて反射光を観察する方法が挙げられる。
反射スペクトルのピークは、フォトニックバンドギャップに由来するものであり、そのギャップに対応する特定波長の光をフォトニック結晶に照射すると検出される。3次元フォトニック結晶の均一性が高いとピークがシャープに検出され、均一性が低いとブロードで裾が広がったピークとなる。また、均一性が低い場合には、ピーク強度が弱くなる傾向にあり、均一性が極めて低くなると多数の色からなる反射光が混じって、肉眼では白っぽい淡色な反射光が観察されるようになる。
反射スペクトルの検出装置としては、汎用の分光光度計等を使用することができる。例えば、分光測光装置PMA-11(浜松ホトニクス社製)、マルチスペクトロフォトメーターATRAS-25、FTIR-IRT-3000(日本分光社製)、紫外可視近赤外分光光度計UV-3600(島津社製)、反射測定装置MCPD-3000(大塚電子社製)などが挙げられる。
特定の波長の光を周期構造体に照射して得られる反射スペクトルの波長は、主にフォトニック結晶の周期サイズに対応し、例えば、平均粒子径200〜300nmの真球状粒子(P)から構成される立方最密充填構造のフォトニック結晶の場合には、200〜500nm付近に反射スペクトルが現れる。



Examples of evaluation methods related to uniformity such as single crystallinity, crystal plane direction, and defect structure of a three-dimensional photonic crystal include a method of measuring a reflection spectrum, a method of observation with an electron microscope, and a method of observing reflected light with the naked eye. It is done.
The peak of the reflection spectrum is derived from the photonic band gap, and is detected when the photonic crystal is irradiated with light having a specific wavelength corresponding to the gap. When the uniformity of the three-dimensional photonic crystal is high, the peak is detected sharply, and when the uniformity is low, the peak is broad and broadened. In addition, when the uniformity is low, the peak intensity tends to be weakened. When the uniformity is extremely low, reflected light composed of a large number of colors is mixed, and a whitish light reflected light is observed with the naked eye. .
A general-purpose spectrophotometer or the like can be used as the reflection spectrum detection device. For example, spectrophotometer PMA-11 (manufactured by Hamamatsu Photonics), multi spectrophotometer ATRAS-25, FTIR-IRT-3000 (manufactured by JASCO), UV-visible near infrared spectrophotometer UV-3600 (manufactured by Shimadzu) ), Reflection measuring device MCPD-3000 (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.), and the like.
The wavelength of the reflection spectrum obtained by irradiating a periodic structure with light of a specific wavelength mainly corresponds to the periodic size of the photonic crystal, and is composed of, for example, true spherical particles (P) with an average particle diameter of 200 to 300 nm. In the case of a photonic crystal having a cubic close-packed structure, a reflection spectrum appears in the vicinity of 200 to 500 nm.



[実施例]
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は実施例に限定されるものではない。なお、特記しない限り部は重量部、%は重量%を意味する。
[Example]
EXAMPLES Next, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples without departing from the gist of the present invention. Unless otherwise specified, “part” means “part by weight” and “%” means “% by weight”.

<テンプレート基板(Q1)の作製>
外観イメージ;図1
窪みの形状;四角錐
窪みのサイズ;一辺;5μm、深さ;6μm、基板表面との角度;54°(図3のANが54°)
窪みの間隔;0(図3のDが0)
基板の大きさ;一辺10cmの正方形、窪みは基板の端1cmを残して前面に形成
作製方法;
一辺10cmのシリコン基板(基板(Q))(表面が(100)面を有する)を1000℃で1.5時間、大気中で加熱することにより酸化膜を形成した後、ピラニア液(硫酸と30%過酸化水素水を体積比1:9で混合したもの)にて洗浄して有機物を完全に除去した。
乾燥後、スピンコーターによりレジストを塗布し、約400nmの膜厚のレジスト膜をシリコン基板上に形成した(180℃で3分間プリベーク)。レジストはαメチルスチレン-αクロロアクリレート共重合体(ZEP520(ポジ型レジスト)、日本ゼオン社製)を使用した。
<Preparation of template substrate (Q1)>
Appearance image: Fig. 1
Indentation shape: Square pyramid Indentation size: One side: 5 μm, depth: 6 μm, angle with substrate surface: 54 ° (AN in FIG. 3 is 54 °)
Indentation interval: 0 (D in Figure 3 is 0)
The size of the substrate; a square with a side of 10 cm, and a dent is formed on the front surface leaving the edge of the substrate at 1 cm.
After forming an oxide film by heating a silicon substrate (substrate (Q)) (with a (100) surface) with a side of 10 cm at 1000 ° C in the air for 1.5 hours, piranha solution (30% excess with sulfuric acid) The mixture was washed with hydrogen oxide water mixed at a volume ratio of 1: 9 to completely remove organic substances.
After drying, a resist was applied by a spin coater, and a resist film having a thickness of about 400 nm was formed on a silicon substrate (prebaked at 180 ° C. for 3 minutes). As the resist, α-methylstyrene-α-chloroacrylate copolymer (ZEP520 (positive resist), manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was used.

このレジスト膜に電子線描画装置にてパターンを作製した。パターンは、前記の窪みのサイズ(一辺;5μm、窪みの間隔0)に対応するようにCADデータ(A&Aco.,LTD製)を作製し、電子線描画装置に転送することにより描画した。パターン描画後、現像液(ZEP-RD、日本ゼオン社製)に浸漬してマスクパターンを作製した。
BHF(フッ化アンモニウムとフッ酸を体積比1:9で混合したもの)に数分間浸漬して酸化膜のみを取り除いた後、水酸化カリウム(30%)とイソプロピルアルコール(12%)からなる水溶液に1時間浸漬して、異方性エッチングを行った。最後に、酸化膜をBHFにて取り除いて、ナノインプリント基板用の鋳型基板(表面が(111)面を有する)を作製した。
この鋳型基板を使用して、ニッケル製のナノインプリント基板を得た。
厚みが50μmのPETフィルムを準備し、ナノインプリント基板をプレスして、窪みを形成した後、10cm角にカットして基板(Q1)を得た。
A pattern was formed on the resist film with an electron beam drawing apparatus. The pattern was drawn by preparing CAD data (manufactured by A & Aco., LTD) so as to correspond to the size of the pits (one side; 5 μm, dent interval 0) and transferring it to an electron beam drawing apparatus. After pattern drawing, it was immersed in a developing solution (ZEP-RD, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) to prepare a mask pattern.
An aqueous solution consisting of potassium hydroxide (30%) and isopropyl alcohol (12%) after being immersed in BHF (a mixture of ammonium fluoride and hydrofluoric acid at a volume ratio of 1: 9) for several minutes to remove only the oxide film. For 1 hour to perform anisotropic etching. Finally, the oxide film was removed with BHF to produce a template substrate for a nanoimprint substrate (the surface has a (111) plane).
Using this template substrate, a nanoimprint substrate made of nickel was obtained.
A PET film having a thickness of 50 μm was prepared, the nanoimprint substrate was pressed to form a recess, and then cut into a 10 cm square to obtain a substrate (Q1).

<テンプレート基板(Q2)の作製>
外観イメージ;図2
窪みの形状;V溝
窪みのサイズ;一辺;10μm×100μm、深さ;12μm、基板表面との角度;54°
窪みの間隔;7.5μm(図3のDが7.5μm)
基板の大きさ;一辺10cmの正方形、窪みは基板の端1cmを残して前面に形成
作製方法;
基板フィルムとして厚みが20μmのPETフィルムを準備し、前記の窪みのサイズ(一辺;10μm×100μm、窪みの間隔1.08μm)に対応するようにCADデータを作製し、電子線描画装置に転送することによりレジスト膜に描画した以外は、テンプレート基板(Q1)と同様の方法にて、テンプレート基板(Q2)を得た。
<Preparation of template substrate (Q2)>
Appearance image: Fig. 2
Indentation shape: V-groove Indentation size: One side: 10 μm × 100 μm, depth: 12 μm, angle with substrate surface: 54 °
Indentation spacing: 7.5 μm (D in FIG. 3 is 7.5 μm)
The size of the substrate; a square with a side of 10 cm, and a dent is formed on the front surface leaving the edge of the substrate at 1 cm.
Prepare a PET film with a thickness of 20μm as a substrate film, create CAD data corresponding to the size of the above-mentioned recesses (one side; 10μm x 100μm, spacing between recesses 1.08μm), and transfer it to the electron beam lithography system A template substrate (Q2) was obtained in the same manner as the template substrate (Q1), except that the resist film was drawn on the substrate.

<真球状微粒子(P1)の作製>
チタニウムテトラエトキシド17部をエタノール1000部に溶解し、攪拌機能付きの反応容器に仕込んだ。100rpmで攪拌を行いながら、固形分濃度が0.3%の塩化カリウムの水溶液を4部加えて、室温で120分間反応させることにより、数平均粒子径220nm、Cv値1.5%の酸化チタン単分散微粒子(真球状微粒子(P1))のエタノール分散液を得た。
反応終了後、80℃で加熱処理して溶媒を一部蒸発除去して、必要によりエタノールを添加して、固形分濃度が1%となるように調整した。なお、この分散液には、0.1%以下の水と極微量の塩化カリウムが含まれている。
ゼータ電位測定装置(ELS-Z 大塚電子社製)にて、得られた微粒子(P1)のゼータ電位を測定したところ、22mVの負電荷を有していることが分かった。なお、酸化チタンは、屈折率が約2.8であり、可視光を殆ど吸収することのない極めて透明性の高い材料である。
<Preparation of spherical particles (P1)>
17 parts of titanium tetraethoxide was dissolved in 1000 parts of ethanol and charged into a reaction vessel with a stirring function. While stirring at 100 rpm, 4 parts of an aqueous solution of potassium chloride having a solid content concentration of 0.3% was added and reacted at room temperature for 120 minutes, whereby titanium oxide monodispersed fine particles having a number average particle size of 220 nm and a Cv value of 1.5% ( An ethanol dispersion of true spherical fine particles (P1) was obtained.
After completion of the reaction, heat treatment was performed at 80 ° C. to partially evaporate the solvent, and ethanol was added as necessary to adjust the solid content concentration to 1%. This dispersion contains 0.1% or less of water and a trace amount of potassium chloride.
When the zeta potential of the obtained fine particles (P1) was measured with a zeta potential measuring device (ELS-Z manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.), it was found to have a negative charge of 22 mV. Titanium oxide is a highly transparent material having a refractive index of about 2.8 and hardly absorbing visible light.

<真球状微粒子(P2)の作製>
テトラブトキシシラン10部をブタノール80部に溶解して、攪拌機能付きの反応容器に仕込んだ。100rpmで攪拌を行いながら、アンモニア水によりPHを11に調整したイオン交換水10部を仕込み、室温にて10時間反応させることにより、数平均粒子径270nm、Cv値1.4%のシリカ単分散微粒子(真球状微粒子(P2))のエタノール分散液を得た。
反応後、約80℃で加熱処理して溶媒を一部蒸発除去して、必要によりブタノールを添加して、固形分濃度が1%となるように調整した。なお、この分散液には、1%以下の水が含まれている。
ゼータ電位測定装置(ELS-Z 大塚電子社製)にて、得られた微粒子(P2)のゼータ電位を測定したところ、20mVの負電荷を有していることが分かった。なお、シリカは、屈折率が約1.5であり、可視光を殆ど吸収することのない極めて透明性の高い材料である。
<Production of spherical particles (P2)>
10 parts of tetrabutoxysilane was dissolved in 80 parts of butanol and charged into a reaction vessel with a stirring function. While stirring at 100 rpm, 10 parts of ion-exchanged water whose pH was adjusted to 11 with ammonia water was added and reacted at room temperature for 10 hours to obtain a silica monodispersed fine particle having a number average particle size of 270 nm and a Cv value of 1.4% ( An ethanol dispersion of spherical particles (P2) was obtained.
After the reaction, heat treatment was performed at about 80 ° C. to partially evaporate and remove the solvent, and butanol was added as necessary to adjust the solid content concentration to 1%. This dispersion contains 1% or less of water.
When the zeta potential of the obtained fine particles (P2) was measured with a zeta potential measuring device (ELS-Z manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.), it was found to have a negative charge of 20 mV. Silica has a refractive index of about 1.5 and is a highly transparent material that hardly absorbs visible light.

<実施例1>
テンプレート基板(Q-1)の背面に、窪み部分の大きさに対応するアルミニウム製の薄板からなる電極を設置した。テンプレート基板(Q-1)とほぼ同様の大きさのアルミニウム製の薄板からなる電極をもう一つ用意し、これを対極とした。
対極端部の周囲に高さ1mmのシーリング剤を塗布し、シーリング剤に囲まれた中央部に真球状微粒子(P1)の分散液を充填した後、空気が入らないように注意してテンプレート基板(Q1)にて密閉した。
テンプレート基板(Q-1)の背面電極に、2Vの電圧を印加して1分間保持した。この電圧印加により、真球状微粒子(P1)が電気泳動してテンプレート基板(Q-1)の窪みに集積される。
1分後、対極を外して60℃の乾燥機で5時間乾燥させ、テンプレート基板(Q-1)の窪み部分一面に形成された3次元フォトニック結晶を得た。
得られた3次元フォトニック結晶からは、全面に渡って、肉眼で強い緑色の反射光が確認できた。電子顕微鏡にて観察したところ、テンプレート基板(Q-1)の上面から約3μmの厚みをもっており、最上面はほぼ平坦であった。また、結晶構造は単結晶であり、結晶面の向きも揃っており、かつ、微粒子の欠損等の欠陥は存在しなかった。
<Example 1>
On the back surface of the template substrate (Q-1), an electrode made of an aluminum thin plate corresponding to the size of the recessed portion was installed. Another electrode made of an aluminum thin plate having the same size as the template substrate (Q-1) was prepared and used as a counter electrode.
Apply a sealant with a height of 1 mm around the extreme part, fill the central part surrounded by the sealant with a dispersion of spherical particles (P1), and then take care not to let air in the template substrate. Sealed with (Q1).
A voltage of 2 V was applied to the back electrode of the template substrate (Q-1) and held for 1 minute. By applying this voltage, the spherical particles (P1) are electrophoresed and accumulated in the depressions of the template substrate (Q-1).
After 1 minute, the counter electrode was removed and the plate was dried with a dryer at 60 ° C. for 5 hours to obtain a three-dimensional photonic crystal formed over the entire recessed portion of the template substrate (Q-1).
From the obtained three-dimensional photonic crystal, strong green reflected light was confirmed with the naked eye over the entire surface. When observed with an electron microscope, the thickness was about 3 μm from the top surface of the template substrate (Q-1), and the top surface was almost flat. Moreover, the crystal structure was a single crystal, the crystal planes were aligned, and there were no defects such as fine particle defects.

<実施例2>
テンプレート基板(Q-1)に代えて、テンプレート基板(Q−2)を、真球状微粒子(P1)の分散液に代えて、真球状微粒子(P2)の分散液を使用する以外は、実施例1と同様にして、3次元フォトニック結晶を得た。
得られた3次元フォトニック結晶からは、全面に渡って、肉眼で強い赤色の反射光が確認できた。電子顕微鏡にて観察したところ、テンプレート基板(Q-1)の上面から約6μmの厚みをもっており、最上面はほぼ平坦であった。また、結晶構造は単結晶であり、結晶面の向きも揃っており、かつ、微粒子の欠損等の欠陥は存在しなかった。
<Example 2>
Example except that instead of the template substrate (Q-1), the template substrate (Q-2) is replaced by a dispersion of true spherical fine particles (P1) instead of a dispersion of true spherical fine particles (P1). In the same manner as in 1, a three-dimensional photonic crystal was obtained.
From the obtained three-dimensional photonic crystal, strong red reflected light was confirmed with the naked eye over the entire surface. When observed with an electron microscope, the thickness was about 6 μm from the upper surface of the template substrate (Q-1), and the uppermost surface was almost flat. Moreover, the crystal structure was a single crystal, the crystal planes were aligned, and there were no defects such as fine particle defects.

<比較例1>
テンプレート基板(Q-1)代わりに、表面に窪みのない平坦なPETフィルム(厚み50μm)を使用した以外は実施例1と同様にして3次元フォトニック結晶を作製し、その評価を行った。
得られた3次元フォトニック結晶の半分程度の部分からは、肉眼で強い緑色の反射光が確認できた。他の部分からは、薄い青色や黄色の反射光が確認できた。電子顕微鏡にて観察したところ、約6μmの厚みをもっており、最上面はほぼ平坦であった。一方、結晶構造は多結晶性であり、結晶面の向きはランダムであった。更に、結晶面の向きが変化する部分等において、微粒子の欠損等の欠陥が多数存在した。
<Comparative Example 1>
A three-dimensional photonic crystal was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a flat PET film (thickness 50 μm) having no depression on the surface was used instead of the template substrate (Q-1).
A strong green reflected light was confirmed with the naked eye from about half of the obtained three-dimensional photonic crystal. From other parts, light blue or yellow reflected light was confirmed. When observed with an electron microscope, the thickness was about 6 μm, and the uppermost surface was almost flat. On the other hand, the crystal structure was polycrystalline, and the orientation of the crystal plane was random. Furthermore, many defects such as fine particle defects existed in a portion where the orientation of the crystal plane changes.

<実施例1及び2、比較例1の3次元フォトニック結晶の評価方法>
得られた3次元フォトニック結晶を以下の方法により評価した。
<Evaluation method of three-dimensional photonic crystal of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1>
The obtained three-dimensional photonic crystal was evaluated by the following method.

<反射スペクトルの測定>
顕微紫外可視分光光度計MSV-350(日本分光社製)を使用して得られた3次元フォトニック結晶の反射スペクトルを測定した。フォトニックバンドギャップに対応した波長においてピークが検出される。このピークから3次元フォトニック結晶の均一性、単結晶性、結晶面の向きの単一性などを判断することができる。均一性、単結晶性、結晶面の向きの単一性が高ければピークはシャープになり、フォトニックバンドギャップに対応した波長の光以外は反射しなくなる。従って、肉眼においても強い単一色の反射光が確認できるようになる。
<Measurement of reflection spectrum>
The reflection spectrum of the three-dimensional photonic crystal obtained using a micro ultraviolet visible spectrophotometer MSV-350 (manufactured by JASCO Corporation) was measured. A peak is detected at a wavelength corresponding to the photonic band gap. From this peak, the uniformity of the three-dimensional photonic crystal, single crystallinity, unity of crystal plane direction, and the like can be determined. If the uniformity, single crystallinity, and unity of crystal plane direction are high, the peak becomes sharp, and only light having a wavelength corresponding to the photonic band gap is reflected. Accordingly, it is possible to confirm a strong single color reflected light even with the naked eye.

<電子顕微鏡による観察>
3次元フォトニック結晶の全面を上部から観察すると共に、端部において斜めから観察することにより、フォトニック結晶の厚み、結晶構造などを確認した。結晶構造が単結晶性であると、結晶面の向きが揃い、多結晶性であるとランダムになる。また、結晶の均一性が低いと、微粒子の欠損等の欠陥構造が多数確認できる。
<Observation by electron microscope>
While observing the entire surface of the three-dimensional photonic crystal from the top, and observing it at an end from an oblique direction, the thickness and crystal structure of the photonic crystal were confirmed. When the crystal structure is monocrystalline, the orientation of crystal planes is uniform, and when it is polycrystalline, it becomes random. In addition, when the crystal uniformity is low, a large number of defect structures such as fine particle defects can be confirmed.

実施例1、2及び比較例1の反射スペクトルを図5に示した。
実施例1の3次元フォトニック結晶においては、波長520〜570nm付近に反射率がほぼ100%の極めて反射強度の強い反射スペクトルピークが検出され、このピークのエッジは非常にシャープであることから、結晶の均一性が極めて高いことがわかる。
一方、比較例1の3次元フォトニック結晶においては、波長560nmに反射スペクトルピークが検出されたが、このピークはブロードであり、かつ、反射強度も実施例1の場合の半分程度である。従って、結晶の均一性が低いことがわかる。
実施例2の3次元フォトニック結晶も波長700nm付近に反射率がほぼ100%の極めて反射強度の強い反射スペクトルピークが検出され、このピークのエッジは非常にシャープであることから、結晶の均一性が極めて高いことがわかる。
実施例の3次元フォトニック結晶の均一性が高い理由は、前述のように、単結晶性、欠陥構造が無いこと、結晶面の向きがそろっていることの全ての要素を満たしているからである。
The reflection spectra of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG.
In the three-dimensional photonic crystal of Example 1, a reflection spectrum peak with a very strong reflection intensity having a reflectance of almost 100% is detected in the vicinity of a wavelength of 520 to 570 nm, and the edge of this peak is very sharp. It can be seen that the crystal uniformity is extremely high.
On the other hand, in the three-dimensional photonic crystal of Comparative Example 1, a reflection spectrum peak was detected at a wavelength of 560 nm. This peak was broad and the reflection intensity was about half that in Example 1. Therefore, it can be seen that the crystal uniformity is low.
In the three-dimensional photonic crystal of Example 2, a reflection spectrum peak with a very high reflection intensity with a reflectance of almost 100% was detected in the vicinity of a wavelength of 700 nm, and the edge of this peak was very sharp. Is very high.
The reason why the uniformity of the three-dimensional photonic crystal of the example is high is that, as described above, it satisfies all the factors of single crystallinity, absence of defect structure, and orientation of crystal planes. is there.

本発明の製造方法により得られる3次元フォトニック結晶は、LEDや半導体レーザー等の発光素子やセンサー、ディスプレイ、光スイッチなど応用研究が盛んに行われている用途に適用することができる。   The three-dimensional photonic crystal obtained by the production method of the present invention can be applied to applications in which application research is actively conducted, such as light emitting elements such as LEDs and semiconductor lasers, sensors, displays, and optical switches.

四角錘型の窪みSquare pyramid-shaped depression V溝型の窪みV-groove depression テンプレート基板(Q)の断面図Cross section of template substrate (Q) テンプレート基板(Q)の断面図(窪みの間隔Dが0の場合)Sectional view of template substrate (Q) (when indent D is 0) 反射スペクトル測定結果Reflection spectrum measurement result

符号の説明Explanation of symbols

P:微粒子
R:微粒子の直径
D:窪みの間隔
DI:窪み
AN:基板表面との角度
P: Fine particle R: Fine particle diameter D: Indentation interval DI: Indentation AN: Angle with substrate surface

Claims (3)

真球状粒子(P)を構成単位とする3次元フォトニック結晶の製造方法であって、窪みを有するテンプレート基板(Q)上に、正又は負の電荷を有する真球状粒子(P)の分散液を供給して、テンプレート基板(Q)の背面に設置した電極に真球状粒子(P)の有する電荷と逆の電界を印加することにより、窪みに真球状粒子(P)を集積することを特徴とする3次元フォトニック結晶の製造方法。   A method for producing a three-dimensional photonic crystal having a spherical particle (P) as a structural unit, and a dispersion of a spherical particle (P) having a positive or negative charge on a template substrate (Q) having a depression Is applied to the electrode placed on the back side of the template substrate (Q) to apply an electric field opposite to the electric charge of the spherical particles (P), thereby accumulating the spherical particles (P) in the depressions. A method for producing a three-dimensional photonic crystal. テンプレート基板(Q)に形成された窪みの間隔が、0又は構成単位である真球状微粒子(P)の直径の整数倍であることを特徴とする請求項1に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   2. The three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein the interval between the depressions formed in the template substrate (Q) is 0 or an integer multiple of the diameter of the spherical particles (P) as a structural unit. Production method. テンプレート基板(Q)に形成される窪みが、表面が(100)面であるシリコン基板を異方性エッチングすることにより作製される(111)面を表面に持つ四角錐型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。




















The depression formed in the template substrate (Q) is a quadrangular pyramid type having a (111) surface on the surface, which is produced by anisotropic etching of a silicon substrate having a (100) surface. The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to claim 1 or 2.




















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