JP2008519254A - Metal nanovoid photonic crystals for enhanced Raman spectroscopy - Google Patents

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Abstract

異質物からラマン信号を発生するための平面状光プラットフォームは、プラズモンバンド構造領域に光学的に結合した、光放射を受け取り取り出すための入力領域と出力領域とを備えている。プラズモンバンド構造領域は、第2の屈折率を有する第2の材料の小領域のアレイでパターニングされた、第1の屈折率を有する第1の材料の層を備え、それぞれの小領域の側壁は金属誘電体層でコーティングされている。小領域のアレイは、プラズモンバンド構造を生じ、使用時に、それぞれの小領域は、プラズモンバンド構造領域内に結合された光放射によって励起されたプラズモン共鳴を閉じ込め、プラズモン共鳴は、プラズモンバンド構造領域に近接して位置している異質物からラマン信号を生じる。プラットフォームは、分光測定システムに組み込まれてもよく、分析物分子の表面増強ラマン分光法に特に有用である。
【選択図】図2
A planar optical platform for generating a Raman signal from a foreign material includes an input region and an output region for receiving and extracting optical radiation optically coupled to a plasmon band structure region. The plasmon band structure region comprises a layer of a first material having a first index of refraction patterned with an array of subregions of a second material having a second index of refraction, and the sidewalls of each subregion are Coated with a metal dielectric layer. The array of subregions produces a plasmon band structure, and in use, each subregion confines plasmon resonances excited by light radiation coupled within the plasmon band structure region, and the plasmon resonances are in the plasmon band structure region. A Raman signal is generated from a foreign object located in close proximity. The platform may be incorporated into a spectroscopic measurement system and is particularly useful for surface-enhanced Raman spectroscopy of analyte molecules.
[Selection] Figure 2

Description

[発明の分野]
本発明は、ラマン分光法に関し、特に、表面増強ラマン分光法(surface enhanced Raman spectroscopy)(SERS)用の光プラットフォームに関する。
[Field of the Invention]
The present invention relates to Raman spectroscopy, and more particularly to an optical platform for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS).

[発明の背景]
ラマン分光法は、種々の用途で、最も一般的には、固体中の分子又はフォノンの振動等の振動量子を研究するために使用されるが、他の量子化されたエンティティもまた研究されることができる。ラマン分光法は、サンプル材料の物理的状態に関する詳細な情報を提供することができ、また、種々の分子異性体等の、普通なら化学的に同じ分子の種々の状態を互いに見分けるのに使用されることができる。
[Background of the invention]
Raman spectroscopy is used in a variety of applications, most commonly to study vibrational quanta, such as vibrations of molecules or phonons in solids, but other quantized entities are also studied. be able to. Raman spectroscopy can provide detailed information about the physical state of the sample material and is used to distinguish different states of the same molecule, usually different chemically, such as different molecular isomers. Can.

ラマン分光法は、多くの異なる産業において広範な利用法がある。例を挙げると、ラマン分光法は、製薬、化学、生体分析学、医療、材料科学、美術修復、ポリマ、半導体、宝石学、法医学、研究、軍事、センシング、及び環境モニタリングの分野に用途がある。   Raman spectroscopy has a wide range of uses in many different industries. For example, Raman spectroscopy has applications in the fields of pharmaceuticals, chemistry, bioanalysis, medicine, materials science, art restoration, polymers, semiconductors, gemology, forensics, research, military, sensing, and environmental monitoring. .

ラマン分光法は、非常に有用な分析ツールであるが、実際には、多数の欠点がある。ラマン分光法に関連する主要な欠点は、散乱断面が小さいために起こる。通常、サンプル材料に入射する光子の10−7だけが、ラマン散乱を受けることになる。したがって、ラマン散乱光子を検出するために、ラマン分光計は、通常、出力の大きいレーザ源及び感度が高い検出器を採用する。絶対的な意味で散乱断面が小さいだけでなく、散乱光子が入射光子と同じエネルギーであるレイリー散乱に比べて、散乱断面が小さい。これが意味することは、特に、ラマン信号が入射信号に対してエネルギーにおいて近いとき、小さなラマン信号を大きなレイリー信号及び入射信号から分離することに関連する問題が多数存在することである。 Raman spectroscopy is a very useful analytical tool, but in practice has a number of drawbacks. A major drawback associated with Raman spectroscopy occurs due to the small scattering cross section. Usually, only 10 -7 of the photons incident on the sample material will undergo Raman scattering. Therefore, in order to detect Raman scattered photons, the Raman spectrometer usually employs a high-power laser source and a highly sensitive detector. Not only is the scattering cross section small in an absolute sense, but also the scattering cross section is small compared to Rayleigh scattering where the scattered photons have the same energy as the incident photons. This means that there are a number of problems associated with separating small Raman signals from large Rayleigh and incident signals, especially when the Raman signal is close in energy to the incident signal.

出力の大きな供給源は、かさばり、且つ、費用がかかるだけでなく、非常に高い出力では、光放射自体の強度が、サンプル材料を破壊する可能性があり、したがって、光放射源強度に上限が設けられる。同様に、感度が高い検出器は、かさばり、且つ、費用がかかることが多く、液体窒素等による強制冷却が必要である場合には、なおさらである。さらに、許容可能な信号対雑音比(SNR)を有するラマンスペクトル信号を得るため、長い積分期間(periods)が必要とされるために、緩慢なプロセスであることが多い。   A source of high power is not only bulky and expensive, but at very high power, the intensity of the light radiation itself can destroy the sample material, thus limiting the light source intensity to an upper limit. Provided. Similarly, highly sensitive detectors are often bulky and expensive, especially if forced cooling with liquid nitrogen or the like is required. In addition, it is often a slow process because long integration periods are required to obtain a Raman spectrum signal with an acceptable signal-to-noise ratio (SNR).

ラマン分光測定法に関連する問題は、C. V. Ramanが、1928年に効果自体を発見して以来、長い間知られている。その日以来、ラマン分光計の動作を改善するために、種々の技法が適用されてきた。   Problems associated with Raman spectroscopy have been known for a long time since C. V. Raman discovered the effect itself in 1928. Since that day, various techniques have been applied to improve the operation of Raman spectrometers.

技法の中のいくつかは、サンプル材料にエネルギーをより効率的に結合させるために、表面プラズモン共鳴(surface plasmon ersonance)(SPR)を誘発するための、金属表面の使用を含む。この技法の1つの改良は、サンプル材料を粗面上、又は、粗面の近くに設置することを含む。こうした表面は、塊になって堆積されることがある、金属/誘電体粒子の堆積によって形成されることができる。粗面は、増強ラマン信号を生じることが見出され、粗面を使用して、ラマンスペクトルを得る技法は、表面増強ラマン分光法(surface enhanced Raman spectroscopy)(SERS)として知られる。   Some of the techniques involve the use of metal surfaces to induce surface plasmon resonance (SPR) to more efficiently couple energy to the sample material. One improvement of this technique involves placing the sample material on or near the rough surface. Such a surface can be formed by deposition of metal / dielectric particles, which can be deposited in bulk. A rough surface is found to produce an enhanced Raman signal, and the technique of using a rough surface to obtain a Raman spectrum is known as surface enhanced Raman spectroscopy (SERS).

しかし、SERSデバイスは、以前の従来のラマン分光計と比較すると、SNRの改善をもたらすことができるが、まだ他の欠点がある。たとえば、SERSデバイスは、かなり長い検出器積分時間が無い状態では、ラマン信号を提供するのにやはり十分効果的ではなく、かさばり且つ費用のかかる検出器をやはり必要とする。現在でも、ラマンスペクトルの採取時間は約5秒が非常に良いと考えられている。現在使用されているSERSシステムの多くについての主要な問題は、同じ実験の反復に関する、また、異なるサンプル間でのSERS増強の再現性である。これは、主として、粗面上に得られるホットスポットのランダムな分布及び数、並びに、それらのロケーションを予め求めることができないことによる。   However, although SERS devices can provide improved SNR when compared to previous conventional Raman spectrometers, there are still other drawbacks. For example, SERS devices are still not effective enough to provide a Raman signal in the absence of a fairly long detector integration time, and still require a bulky and expensive detector. Even now, it is considered that about 5 seconds is a very good time for collecting Raman spectra. A major problem with many of the currently used SERS systems is the reproducibility of SERS enhancement with respect to the same experimental iterations and between different samples. This is mainly due to the fact that the random distribution and number of hot spots obtained on the rough surface and their location cannot be determined in advance.

米国特許出願公開第2003/042487号は、ナノワイヤ、ナノロッド、及び回転楕円体から選択される金属物体を提供する方法を述べている。これは、金属物体に非常に接近した生体分子の分光を表面増強することを提案している。   US Patent Application Publication No. 2003/042487 describes a method for providing a metal object selected from nanowires, nanorods, and spheroids. It proposes to surface enhance the spectroscopy of biomolecules very close to metal objects.

米国特許出願公開第2003/059820号は、ナノ球体、ナノ粒子、ナノロッドを含む、金属コーティングされたナノ粒子を有する基材を作製する方法、システム及び方法を開示している(図7(b)に示す例を参照されたい)。   US Patent Application Publication No. 2003/059820 discloses a method, system and method for making a substrate having metal-coated nanoparticles, including nanospheres, nanoparticles, and nanorods (FIG. 7 (b)). See the example shown below).

米国特許出願公開第2003/174384号及び米国特許第6、699、724号は、基材に非常に接近した分析物からのラマン信号を増強するために、金属コーティングされた球体及びナノ粒子を基材として使用することを説明している。   US 2003/174384 and US Pat. No. 6,699,724 are based on metal-coated spheres and nanoparticles to enhance Raman signals from analytes in close proximity to the substrate. It explains that it is used as a material.

米国特許出願公開第2002/068018号は、複数のQ値が高い電磁マイクロキャビティから成る、化学的及び/又は生物学的化合物を検出するためのセンサを開示している。SERSの類似の作用によって生物学的作用物質が検出されることが特許請求されている。   US 2002/0668018 discloses a sensor for detecting chemical and / or biological compounds consisting of a plurality of high-Q electromagnetic microcavities. It is claimed that the biological agent is detected by a similar action of SERS.

米国特許出願公開第2004/180379号は、SERSに基づくナノバイオセンサを開示しており、一方、米国特許第6、579、721号は、ガラス基板上に配置された穿孔金属フィルムからの表面プラズモン共鳴を使用してバイオセンシングする方法を説明している。米国特許第6、759、235号は、或る外部励起エネルギーに応答してスペクトルを発生するための、ビーズを固定するのに使用される、表面にわたって分布した、コリメートされた穴の、密に詰ったアレイから成るデバイスを開示している。   US 2004/180379 discloses a SERS-based nanobiosensor, while US Pat. No. 6,579,721 discloses surface plasmon resonance from a perforated metal film placed on a glass substrate. Explains how to biosense using. U.S. Pat. No. 6,759,235 describes a tightly packed, collimated hole distributed over a surface used to immobilize beads for generating a spectrum in response to some external excitation energy. A device comprising a packed array is disclosed.

最後に、M. Kahl他(Phys. Rev. B、 vol. 61、 no. 20、 art. 14078)は、表面からのラマン信号を増強するために、金属コーティングされた1D回折格子を使用することを説明しており、P. Etchgoin他(J. Chem. Phys.、 vol. 119、 no. 10、 p.5281)は、知られているいくつかのSERS現象の定性的な理解を可能にするために、表面プラズモン共鳴のエネルギー分布及び空間局在化の分析を通じて、フォトニック結晶概念の観点から、SERSに対する電磁寄与を詳述している。SERSに対する電磁寄与における非共鳴励起の首尾よい結果が説明され、ストークス/反ストークス場の刺激又は抑制を利用した物理現象が提案されている。W.L. Barnes他(Nature、 vol. 424、 p.824)は、種々の用途に関する表面プラズモンの影響についての概要を提供する。   Finally, M. Kahl et al. (Phys. Rev. B, vol. 61, no. 20, art. 14078) use a metal-coated 1D grating to enhance the Raman signal from the surface. P. Etchgoin et al. (J. Chem. Phys., Vol. 119, no. 10, p.5281) allow a qualitative understanding of some known SERS phenomena. Therefore, through the analysis of the energy distribution and spatial localization of surface plasmon resonance, the electromagnetic contribution to SERS is detailed from the viewpoint of the photonic crystal concept. Successful results of non-resonant excitation in the electromagnetic contribution to SERS have been explained, and physical phenomena utilizing stimulation or suppression of Stokes / anti-Stokes fields have been proposed. W.L. Barnes et al. (Nature, vol. 424, p. 824) provide an overview of the effects of surface plasmons on various applications.

したがって、波長以下の開口を穿孔された金属フィルムを通じた、光の異質な透過特性を理解するときに、表面プラズモンポラリトン(surface plasmon polaritons)(SPP)の役割が認識され、SERSにおけるこの効果の適用が確認された。しかし、穴の内部を伝播するSPP、金属界面上を伝播するSPP、並びに表面欠陥(及び表面欠陥のカップリング)に束縛された局在したSPの組み合せは、バイオセンサとして使用するためにラマン信号を増強するという点では調査されなかった。さらに、ラマン信号発生から、光の収集及び取り出しを分離するという潜在的な利益、並びに、ラマン発生プロセスの前と後における信号調整機能の、可能なモノリシック集積化は、当該技術分野のどの研究者によっても確認されていない。   Therefore, the role of surface plasmon polaritons (SPP) has been recognized in understanding the heterogeneous transmission properties of light through metal films perforated with subwavelength apertures, and the application of this effect in SERS Was confirmed. However, the combination of the SPP propagating inside the hole, the SPP propagating on the metal interface, and the localized SP constrained by surface defects (and coupling of surface defects) is a Raman signal for use as a biosensor. It was not investigated in terms of enhancing. In addition, the potential benefit of separating light collection and extraction from Raman signal generation, and the possible monolithic integration of signal conditioning functions before and after the Raman generation process, has enabled any investigator in the art. Has not been confirmed.

[発明の概要]     [Summary of Invention]

本発明は、低濃度の分析物分子についての再現可能なラマン信号増強、並びに、単一プラットフォーム上に集積化することができる前処理及び後処理の付加的機能を提供する、表面増強ラマン分光法のための、プラットフォーム、システム、及び方法を提供する。プラットフォームの大量作製法も提供される。   The present invention provides surface-enhanced Raman spectroscopy that provides reproducible Raman signal enhancement for low concentrations of analyte molecules, as well as additional pre- and post-processing capabilities that can be integrated on a single platform. Platforms, systems, and methods are provided. A platform mass production method is also provided.

本明細書によって提示される新しい実施態様によれば、金属誘電体(metallodielectric)フォトニック結晶(photonic crystals)(PC)を使用して、PC格子内部に組み込まれた低濃度の分析物分子からSERS信号が取り出される。   In accordance with a new embodiment presented by the present specification, SERS from low concentrations of analyte molecules incorporated within a PC lattice using metallodielectric photonic crystals (PC). A signal is extracted.

本発明は、4つの主要な態様、すなわち、フォトニック結晶(PC)をベースにしたSERS活性プラットフォーム、分析物からSERS信号を得るシステム及び方法、PCをベースにしたSERSプラットフォームの作製方法を包含する。   The present invention encompasses four main aspects: a SERS active platform based on a photonic crystal (PC), a system and method for obtaining a SERS signal from an analyte, and a method for making a PC-based SERS platform. .

SERS活性プラットフォームは被覆された変調基材を基にし、それにより、穴、多面体、又は凹部(wells)のアレイが誘電体多層膜システム内に埋め込まれる。誘電体多層膜システムは、最も単純な実施態様では、等方性であることができるが、分布ブラッグ反射器(DBR)又は平面導波路構造を形成することもできる。穴又は多面体は、誘電体多層膜の上に配置されることができるが、誘電性多層膜を部分的に、又は、完全に貫通することもできる。穴は、三角形、正方形、又は長方形の格子幾何形状、傾斜2D PC格子若しくは2重傾斜2D PC格子(graded or doubly graded 2D PC lattice)、準周期2D PC格子、又は1つ若しくは複数の欠陥を有する2D PC格子等の、規則的な2Dフォトニック結晶格子トポロジで配列されることができる。多面体は、通常、誘電体多層膜システムの表面上に存在し、多層膜内に貫通する倒立角錐である(場合によっては、切頭倒立多面体である)。被覆物は、一般に、金属であるが、他の金属層又は誘電体層を含むこともできる。   The SERS active platform is based on a coated modulation substrate, whereby an array of holes, polyhedrons, or wells is embedded within the dielectric multilayer system. The dielectric multilayer system can be isotropic in the simplest embodiment, but can also form a distributed Bragg reflector (DBR) or planar waveguide structure. The hole or polyhedron can be disposed on the dielectric multilayer film, but can also partially or fully penetrate the dielectric multilayer film. The holes have a triangular, square, or rectangular lattice geometry, a graded or doubly graded 2D PC lattice, a quasi-periodic 2D PC lattice, or one or more defects. It can be arranged in a regular 2D photonic crystal lattice topology, such as a 2D PC lattice. A polyhedron is an inverted pyramid that normally exists on the surface of a dielectric multilayer system and penetrates into the multilayer (in some cases, a truncated inverted polyhedron). The coating is generally a metal, but can also include other metal or dielectric layers.

好ましい実施の形態では、金属誘電体層は、光学的に薄い貴金属の層から成る。別の実施の形態では、プラットフォームは、SERS活性領域が空隙の上に配置される、膜構造となるように作成される。膜の実施の形態と固体基材の実施の形態の両方において、金属誘電体層は、上部表面と穴の側壁の両方にわたって連続であることができ、もしくは、上部表面には金属被覆がなく、穴又は多面体の側壁を覆うだけであるようにすることもできる。プラットフォームは、前処理ユニット若しくは後処理ユニット、並びに/又は、センサユニット及び光源ユニット等の、1つ又は複数の機能システムブロックをさらに含んでもよい。前処理ユニット及び後処理ユニットは、電気的に調整可能な材料で浸潤させられていてもよく、したがって、前処理機能/後処理機能の電気制御についての可能性が高まる。隣接するオンチップシステムブロックが集積化構造内に組み合されてもよい。   In a preferred embodiment, the metal dielectric layer comprises an optically thin noble metal layer. In another embodiment, the platform is made to be a membrane structure in which the SERS active region is placed over the void. In both the membrane embodiment and the solid substrate embodiment, the metal dielectric layer can be continuous over both the top surface and the sidewall of the hole, or the top surface has no metallization, It is also possible to only cover the hole or the side wall of the polyhedron. The platform may further include one or more functional system blocks, such as a pre-processing unit or a post-processing unit, and / or a sensor unit and a light source unit. The pre-processing unit and the post-processing unit may be infiltrated with an electrically adjustable material, thus increasing the possibility for electrical control of the pre-processing function / post-processing function. Adjacent on-chip system blocks may be combined in an integrated structure.

システムは、以下の7つの機能ブロック、すなわち、光源、前処理デバイス及び後処理デバイス、光放射を受け取る構造及び取り出す構造、上記SERS活性プラットフォーム、並びに光検出器システムから成る。前処理器の機能は、図9に示す、それぞれθ及びψで示される入射偏光角及び方位角、偏光状態、並びに入射波長λ等の入射ビームパラメータの選択を含むことができる。後処理ユニットは、少数の可能性を挙げるだけにすると、たとえば、SNRを改善するためにポンプ光をフィルタリング除去するか、波長依存光学遅延を導入するか、又は、ラマン応答の空間分解のためにスーパープリズムを含むことができる。プラットフォームに関して述べたように、システムの機能ブロックの一部を、密に集積化された光センサチップ内にモノリシック集積化してもよい。 The system consists of the following seven functional blocks: light source, pre- and post-processing devices, structure for receiving and extracting light radiation, the SERS active platform, and a photodetector system. The functions of the pre-processor can include the selection of incident beam parameters such as the incident polarization angle and azimuth angle, indicated by θ and ψ, the polarization state, and the incident wavelength λ i shown in FIG. The post-processing unit may, for example, filter out the pump light to improve SNR, introduce wavelength-dependent optical delays, or to spatially resolve the Raman response, to name a few possibilities Super prisms can be included. As described with respect to the platform, some of the functional blocks of the system may be monolithically integrated within a tightly integrated photosensor chip.

方法は、分析物の分析及び検出のために、SERS信号を得る手段を述べている。分析物は、化学兵器、農薬、尿素、乳酸、汚染物質、アスコルビン酸塩、及びグルコース、又は、蛋白質、脂質、核酸(細菌及びウィルスのDNA、RNA、PNA等)、もしくは細胞物質等の生体分子を含むことができる。SERS基材を検査下の分析物で満たし、光源を作動させた後、SERS信号が、分光計を使用して検出される。分光計は、市販の分光計であることができるが、バイオチップ上にモノリシック集積化してもよい。光は、面外に入射してもよく、又は、平面導波路内に打ち込むことができ、平面導波路からSERS活性領域に結合される。同様に、光は、面外で収集されるか、又は、下地となる導波路面内に結合し、分光計に誘導されることができる。   The method describes a means of obtaining a SERS signal for analyte analysis and detection. Analytes are chemical weapons, pesticides, urea, lactic acid, contaminants, ascorbate and glucose, or biomolecules such as proteins, lipids, nucleic acids (bacteria and virus DNA, RNA, PNA, etc.), or cellular substances Can be included. After filling the SERS substrate with the analyte under examination and activating the light source, the SERS signal is detected using a spectrometer. The spectrometer can be a commercially available spectrometer, but may be monolithically integrated on the biochip. The light may be incident out of plane or can be driven into the planar waveguide and is coupled from the planar waveguide to the SERS active region. Similarly, light can be collected out-of-plane or coupled into the underlying waveguide plane and directed to the spectrometer.

本発明の最後の態様では、上記SERS活性プラットフォームの大量作製方法が提供される。好ましくは、大量作製は、ウェハスケールシリコン適合作製技法を採用する。PCは、シリコン等の誘電体基板の上部にレジスト塗布でインプリントし、その後、異方性の高いエッチングプロセスを使用して、円柱状細孔を基材内にエッチングすることによって作製されることができる。インプリントステップは、安価な作製を可能にし、大容量生産に容易にスケーリングされることができる。PC格子構造を規定する代替の手段は、フォトリソグラフィ、干渉リソグラフィ、又は電子ビームリソグラフィ等のリソグラフィ技法である。細孔の内側のみ、又は、穴の内部とサンプル表面の上部の両方における、1つ又は複数の金属−誘電体層(metallo-dielectric layers)の後続の堆積により、SERS活性領域を作る。   In a final aspect of the invention, a method for mass production of the SERS active platform is provided. Preferably, mass production employs wafer scale silicon compatible fabrication techniques. PC is fabricated by imprinting resist on top of a dielectric substrate such as silicon and then etching cylindrical pores into the substrate using a highly anisotropic etching process Can do. The imprint step allows for inexpensive production and can be easily scaled for high volume production. An alternative means of defining the PC grating structure is a lithographic technique such as photolithography, interference lithography, or electron beam lithography. The SERS active region is created by subsequent deposition of one or more metallo-dielectric layers only inside the pores or both inside the hole and on top of the sample surface.

好ましい作製方法では、特定の結晶面に沿って配向する結晶シリコンウェハから成る誘電体基板の表面上に、格子パターン規定が適用される。ウェハは、その後、通常、ウェットエッチングプロセスを使用して、異方性エッチングされる。異方性ウェットエッチングは、多面体形状を形成し、多面体の露出した多角形表面は、シリコンの{111}結晶面に沿う。その後、金属−誘電体層の塗布(application)が実施される。   In a preferred fabrication method, a lattice pattern definition is applied on the surface of a dielectric substrate consisting of a crystalline silicon wafer oriented along a specific crystal plane. The wafer is then anisotropically etched, typically using a wet etch process. Anisotropic wet etching forms a polyhedron shape, and the exposed polygonal surface of the polyhedron is along the {111} crystal plane of silicon. Thereafter, a metal-dielectric layer application is performed.

シリコン単結晶ウェハの好ましい配向では、{100}結晶面に沿って露出されるウェハが選択される。後続の異方性ウェットエッチング中に、倒立角錐が形成される。全ての多面体面が、基材の{111}結晶面に沿うと、エッチングプロセスを停止する。   In the preferred orientation of the silicon single crystal wafer, a wafer that is exposed along the {100} crystal plane is selected. An inverted pyramid is formed during the subsequent anisotropic wet etching. When all the polyhedral faces are along the {111} crystal plane of the substrate, the etching process is stopped.

別の実施の形態では、作製方法は、異方性ウェットエッチングに続いて等方性ディープシリコンエッチングも含むように拡張される。これにより、アスペクト比の高い穴が多面体の中心に配置されることが可能となる。   In another embodiment, the fabrication method is extended to include isotropic deep silicon etching following anisotropic wet etching. Thereby, a hole with a high aspect ratio can be arranged at the center of the polyhedron.

本発明のさらなる実施の形態では、金属誘電体フォトニック結晶の表面上に粗い波形(roughness corrugations)があるときでさえも再現性の高いSERS信号を維持する手段を提供するように、プラズモンバンド構造領域を設計してもよい。粗い波形は、作製堆積法から生じ、ランダムに変わる。表面粗さがSERS信号発生の1つの寄与源であることは、従来技術において知られている。しかし、粗さのランダム性がSERSが形成される局所ホットスポットを発生させ、したがって、SERS基材上の互いに異なる複数の位置において生じるSERS信号に大きなばらつき(SERS信号の標準偏差の>100%)を引き起こす可能性がある。本発明では、ナノスケール表面粗さ(<100nm)の小規模な特徴ではなく、プラズモンバンド構造のパターニングの大規模な特徴に実質的に関連する表面プラズモン及び局在化プラズモンを維持するようにプラズモンバンド構造特性を最適化することによって、高い再現性が達成される。   In a further embodiment of the present invention, a plasmon band structure is provided so as to provide a means to maintain a highly reproducible SERS signal even when there are rough corrugations on the surface of the metal dielectric photonic crystal. An area may be designed. The rough waveform results from the fabrication deposition method and varies randomly. It is known in the prior art that surface roughness is one contributing source of SERS signal generation. However, the randomness of roughness generates local hot spots where SERS is formed, and thus large variations in SERS signals that occur at different locations on the SERS substrate (> 100% of the standard deviation of SERS signals) May cause. The present invention maintains plasmons and localized plasmons that are substantially related to the large-scale features of plasmon band structure patterning, rather than the small-scale features of nanoscale surface roughness (<100 nm). High reproducibility is achieved by optimizing the band structure characteristics.

本発明のさらに別の実施の形態では、プラズモンバンド構造領域は、小領域の反復アレイを持つように設計され、それぞれの小領域は、互いに異なるサイズ及び形状の複数の倒立多面体又は穴を持つ。それぞれのサイズ及び形状は、異なる局在化プラズモン共鳴を提供し、したがって、任意の波長の入力レーザ光に対する結合効率の増加、及び、異なるさまざまな波長のラマン光に対する出力結合の増強を可能にする。これは、出力SERS信号の改善された再現性を提供する。   In yet another embodiment of the invention, the plasmon band structure region is designed to have a repeating array of subregions, each subregion having a plurality of inverted polyhedrons or holes of different sizes and shapes. Each size and shape provides a different localized plasmon resonance, thus enabling increased coupling efficiency for input laser light of any wavelength and enhanced output coupling for Raman light of different wavelengths. . This provides improved reproducibility of the output SERS signal.

従来技術と比較した、本発明によって提供される主要な改善は、以下の態様を含む。トポロジは、側面からの光の打ち込みを可能にし、したがって、光をSERS活性領域に打ち込む、より容易且つ再現性の高い手段を容易にする。第2に、多くの機能システムブロックを高度に集積化された1つのチップ内に集積化することは、必要とされる外部部品の数が減るため、システムの複雑さをさらに低減し、したがって、システムコストが軽減されることになる。より小型なシステム構成は、たとえば、生体内での内視鏡検査においてさらに評価されるであろう。第3に、光の打ち込み、ラマン信号発生、及び光取り出しを分離することを利用して、それぞれの機能ブロックをその特定の役割に対して最適化することができる(たとえば、最大SERS増強と対立するものとしての光取り出し)。   The main improvements provided by the present invention compared to the prior art include the following aspects. The topology allows light injection from the side, thus facilitating an easier and more reproducible means of light injection into the SERS active region. Second, the integration of many functional system blocks into a highly integrated chip further reduces the complexity of the system because of the reduced number of external components required, and thus System costs will be reduced. Smaller system configurations will be further evaluated, for example, in in vivo endoscopy. Third, utilizing the separation of light injection, Raman signal generation, and light extraction, each functional block can be optimized for its specific role (eg, conflicting with maximum SERS enhancement). To extract light as it does).

最後に、コロイド状結晶に依存するトポロジと比較して、リソグラフィ手段によってパターンを規定する提案される作製方法は、自己組織化方式と対照的に、より高い再現性及び収率の増加を約束する。SERS基材の生成のための、新規の異方性ウェットエッチング作製過程及びディープシリコンエッチング作製過程のスケーラビリティは、同じSERS基材を大量生産する費用効果的な方法を提供しながら、異なる実験、同じウェハ上の異なる基材、及び/又は、異なるウェハ上の異なる基材にわたって、信号の高い再現性を依然として維持する。   Finally, compared to colloidal crystal-dependent topologies, the proposed fabrication method that defines patterns by lithographic means promises higher reproducibility and increased yield, in contrast to self-organized methods . The scalability of the novel anisotropic wet etch fabrication process and deep silicon etch fabrication process for the production of SERS substrates provides a cost-effective way to mass produce the same SERS substrates while providing different experiments, the same It still maintains high signal reproducibility across different substrates on the wafer and / or across different substrates on different wafers.

本発明は、ここで、添付図面を参照して詳細に述べられるであろう。   The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[発明の詳細な説明]
SERS活性プラットフォーム
本発明の重要な態様は、ここで述べられるように、光源からの光放射を受け取るための平面状のプラットフォームである。
Detailed Description of the Invention
SERS Active Platform An important aspect of the present invention is a planar platform for receiving light radiation from a light source, as described herein.

図1(a)に示すプラットフォームの第1の実施形態では、プラットフォームは、連続する金属誘電体コーティング102、105、106でコーティングされた、予め規定された表面変調(パターニング)を有する誘電体層を備えている。   In the first embodiment of the platform shown in FIG. 1 (a), the platform comprises a dielectric layer having a predefined surface modulation (patterning) coated with a continuous metal dielectric coating 102, 105, 106. I have.

表面変調は、普通なら平坦な誘電体表面103内に組み込まれた穴又は凹部101の2次元(2D)周期アレイの規定によって達成されている。2D周期格子構造のトポロジは、限定はしないが、正方形、三角形、及び長方形の格子幾何形状を含むことができる。穴のアレイはまた、傾斜した2Dフォトニック結晶格子(graded 2D photonic crystal lattice)、2重傾斜した2Dフォトニック結晶格子(doubly graded 2D photonic crystal lattice)、準周期フォトニック結晶、或いは1つ又は複数の欠陥を有する格子構造を形成するように配列されることができる。穴のアレイは、規則的な格子で配列される場合、特有の格子ピッチを特徴とすることになる。好ましい実施形態では、穴又は凹部202は、図2に示す穴径206と高さ203を有する円柱状細孔(cylindrical air rods)の形状を有する。   Surface modulation is achieved by the definition of a two-dimensional (2D) periodic array of holes or recesses 101 incorporated into a normally flat dielectric surface 103. The topology of the 2D periodic grating structure can include, but is not limited to, square, triangular, and rectangular grating geometries. The array of holes can also be graded 2D photonic crystal lattice, doubly graded 2D photonic crystal lattice, quasi-periodic photonic crystal, or one or more Can be arranged to form a lattice structure having a number of defects. If the array of holes is arranged in a regular grid, it will be characterized by a unique grid pitch. In a preferred embodiment, the holes or recesses 202 have the shape of cylindrical air rods having a hole diameter 206 and a height 203 as shown in FIG.

別の実施形態では、穴又は凹部110は、正方形ベース長115と高さ116とを有する倒立角錐(図1(e))又は倒立切頭角錐111(図1(g))の形状を有する。凹部は、倒立角錐に限定されず、倒立多面体の形態をとってもよい。   In another embodiment, the hole or recess 110 has the shape of an inverted pyramid (FIG. 1 (e)) or an inverted truncated pyramid 111 (FIG. 1 (g)) having a square base length 115 and a height 116. The recess is not limited to an inverted pyramid and may take the form of an inverted polyhedron.

別の好ましい実施形態(図1(i)及び図1(k))では、穴又は凹部は、倒立角錐と、深く延長された円柱状細孔とが組み合わされたハイブリッド形状(上面図118)をとってもよい。アスペクト比の高い細孔が倒立角錐の頂点から下地となる基板内へ延びている。   In another preferred embodiment (FIGS. 1 (i) and 1 (k)), the holes or recesses have a hybrid shape (top view 118) that combines an inverted pyramid and a deeply extended cylindrical pore. It may be taken. A high aspect ratio pore extends from the top of an inverted pyramid into the underlying substrate.

構造体は、金属層、又は、いくつかの金属フィルムと誘電体フィルムとを含むことができる金属誘電体層でコーティングされている。最も単純な実施態様では、層は、単一金属フィルムである。jと表示された各層は、異なる材料であることができ、一般に、構造の上部102の厚さ204、穴(凹部)側壁105の厚さ205、及び、穴(凹部)床106の厚さ207はそれぞれ異なることになる。好ましい実施形態では、金属層の厚さは、光学的に薄くなるように選択される。金属は、限定はしないが、金属の以下の群、すなわち、金、白金、銀、銅、パラジウム、コバルト、ニッケル、及び鉄から選択することができる。   The structure is coated with a metal layer or a metal dielectric layer that can include several metal films and a dielectric film. In the simplest embodiment, the layer is a single metal film. Each layer labeled j can be of a different material and generally has a thickness 204 at the top 102 of the structure, a thickness 205 at the hole (recess) sidewall 105, and a thickness 207 at the hole (recess) floor 106. Will be different. In a preferred embodiment, the thickness of the metal layer is selected to be optically thin. The metal can be selected from, but not limited to, the following groups of metals: gold, platinum, silver, copper, palladium, cobalt, nickel, and iron.

誘電体表面に対する金属の付着性を改善するために、図2に示すように、クロム又はメルカプト−プロピルトリメトキシシラン(「メルカプトシラン」)の単一層等の接着層208を任意の誘電体材料の上部に、金属層を堆積する前に、堆積することができる。   In order to improve the adhesion of the metal to the dielectric surface, an adhesive layer 208 such as a single layer of chromium or mercapto-propyltrimethoxysilane ("mercaptosilane") can be applied to any dielectric material as shown in FIG. On top, it can be deposited before depositing the metal layer.

1つの例示的な実施形態では、変調された誘電体表面は、連続した金属フィルムでコーティングされる。連続した金属フィルムは、図1(a)に示すように、上部表面、並びに穴の側壁及び底部を覆う。図1(b)に示す別の実施形態では、穴(凹部)だけが、金属フィルム105及び106でコーティングされ、構造体の上部表面には金属フィルムが存在しない。   In one exemplary embodiment, the modulated dielectric surface is coated with a continuous metal film. The continuous metal film covers the top surface and the sidewalls and bottom of the hole as shown in FIG. In another embodiment shown in FIG. 1 (b), only the holes (recesses) are coated with metal films 105 and 106, and there is no metal film on the top surface of the structure.

さらに別の実施形態では、金属が上部表面と側壁の両方を覆う場合、金属コーティングされた誘電体が図1(c)に示すような膜構造をとるように作成される。この構成では、金属コーティングされた誘電体格子は、エア領域109によって下部を切り取られているため、しばしばエアブリッジ又は膜構造と呼ばれる。PC領域は、穴101を囲む誘電体領域107によって機械的に接続されている。堆積した金属誘電体層はまた、空洞(air cavity)の底部に選択的に堆積されることになる。図11で概略的に示すように、この膜構成では、分析物は、測定中に一端1102から他端1103へプラットフォーム1101を通って流れることができ、光放射1104はたとえば上部から入射し、プラットフォームから出るラマン信号1105は、たとえば、反射領域(reflection regime)において検出される。この構成は、SERS活性領域に対する分析物分子の吸着特性(化学結合エネルギー及び吸着効率等)を機械的に制御する自由度を実験者に与える。光学的に、構造のコア内を伝播するどの導波路モードも、クラディング及びバッファ材料(すなわち、空気)の対称的な影響を受け、したがって、対称的なモードをセットアップすることができる。これは、エアブリッジ構造の上と下とに配置された分析物分子211を光学的に探査し、励起する手段を提供することができる。図1(d)は、先の構成と類似するさらに別の実施形態を示し、穴の側壁105及び空洞の底部の選択された領域だけが、金属誘電体層でコーティングされている。   In yet another embodiment, when the metal covers both the top surface and the sidewalls, the metal coated dielectric is made to take a film structure as shown in FIG. 1 (c). In this configuration, the metal-coated dielectric grating is often referred to as an air bridge or film structure because it is cut off by the air region 109. The PC region is mechanically connected by a dielectric region 107 surrounding the hole 101. The deposited metal dielectric layer will also be selectively deposited at the bottom of the air cavity. As shown schematically in FIG. 11, in this membrane configuration, the analyte can flow through the platform 1101 from one end 1102 to the other end 1103 during measurement, and the light radiation 1104 is incident from the top, for example, The Raman signal 1105 emanating from is detected, for example, in the reflection regime. This configuration gives the experimenter the freedom to mechanically control the adsorption properties (chemical binding energy, adsorption efficiency, etc.) of the analyte molecules on the SERS active region. Optically, any waveguide mode that propagates in the core of the structure is symmetrically affected by the cladding and buffer material (ie, air) and can therefore set up a symmetric mode. This can provide a means to optically probe and excite analyte molecules 211 located above and below the air bridge structure. FIG. 1 (d) shows yet another embodiment similar to the previous configuration, in which only selected areas of the hole sidewall 105 and the bottom of the cavity are coated with a metal dielectric layer.

図1(e)、図1(g)、及び図1(i)の場合、連続する金属フィルム117は、倒立角錐(図1(e))、倒立切頭角錐(図1(g))、及び倒立角錐ロッドハイブリッド構造(図1(i)で示されるアスペクト比の高い構造)における傾斜した小面112(angled facets 112)及び(存在する場合には)底部表面113に沿って延びている。   In the case of FIG. 1 (e), FIG. 1 (g), and FIG. 1 (i), the continuous metal film 117 has an inverted pyramid (FIG. 1 (e)), an inverted truncated pyramid (FIG. 1 (g)), And the angled facets 112 in the inverted pyramidal rod hybrid structure (the high aspect ratio structure shown in FIG. 1 (i)) and the bottom surface 113 (if present).

図1(f)、図1(h)、及び図1(k)に示す他の実施形態では、倒立角錐(図1(f))、倒立切頭角錐(図1(h))、及び倒立角錐ロッドハイブリッド構造(図1(k))だけが金属フィルム106でコーティングされている。図1(f)、図1(h)、及び図1(k)に示すように、金属フィルム117は、傾斜した小面に沿って存在するだけであり、(それぞれ、図1(e)、図1(g)、及び図1(i)と比較して)構造の上部表面には存在しない。   In other embodiments shown in FIGS. 1 (f), 1 (h), and 1 (k), an inverted pyramid (FIG. 1 (f)), an inverted truncated pyramid (FIG. 1 (h)), and inverted. Only the pyramidal rod hybrid structure (FIG. 1 (k)) is coated with the metal film. As shown in FIG. 1 (f), FIG. 1 (h), and FIG. 1 (k), the metal film 117 exists only along the inclined facets (FIG. 1 (e), It is not present on the top surface of the structure (compared to FIG. 1 (g) and FIG. 1 (i)).

さらに、全ての実施形態において、基材は、誘電体材料の多層膜104から成り、その最も単純な実施態様では、単一誘電体層からなる。図1(e)〜図1(k)の例では、単一誘電体層は、限定はしないが、シリコン等の単結晶基板から成り、傾斜した小面112は、結晶面に沿って形成される。異方性ウェットエッチングが結晶面に追従することによって倒立多面体を形成することができるような、単純化された製造方法を提供するためには、単結晶基板が必要である。   Further, in all embodiments, the substrate consists of a multilayer film 104 of dielectric material, and in its simplest embodiment consists of a single dielectric layer. In the example of FIGS. 1E to 1K, the single dielectric layer is not limited, but is made of a single crystal substrate such as silicon, and the inclined facet 112 is formed along the crystal plane. The In order to provide a simplified manufacturing method in which an anisotropic polyhedron can form an inverted polyhedron by following the crystal plane, a single crystal substrate is required.

本発明の他の実施態様としては、図2に示される、基板108及びクラディング103によって被覆された平面導波路構造212や、図3に示される、分布ブラッグ反射器(distributed Bragg reflector)310がある。誘電体層は、穴(凹部)の底部まで残留距離210を有していてもよく、あるいは、穴(凹部)によって部分的に又は完全に穿孔されてもよい。平面導波路212の好ましい実施形態では、その厚さ209及び穴(凹部)の床からの距離210は、SPPに対する最適な結合を提供しつつも、予め選択された波長λの光を垂直方向に閉じ込めることができるように、選択される。平面分布ブラッグ反射器(DBR)ミラーの好ましい実施形態では、ミラーを形成する層の厚さは、阻止帯域(stop band)の中心が入射光の予め選択された波長λに一致するように選択される。別の実施形態では、DBRミラーは、構造体の反射領域が、発生したラマン信号の最も重要な波長領域に一致するように設計されることができ、高いSNRを提供できる。多層膜構造は、全方向性反射器(omnidirectional reflector)(ODR)を形成するように構成することもできる。 Other embodiments of the present invention include a planar waveguide structure 212 covered by the substrate 108 and the cladding 103 shown in FIG. 2, and a distributed Bragg reflector 310 shown in FIG. is there. The dielectric layer may have a residual distance 210 to the bottom of the hole (recess), or may be partially or completely perforated by the hole (recess). In the preferred embodiment of the planar waveguide 212, its thickness 209 and the distance 210 from the floor of the hole (recess) provide optimal coupling to the SPP while still allowing the light of the preselected wavelength λ i to be vertical. Selected so that it can be trapped in. In a preferred embodiment of a planar distributed Bragg reflector (DBR) mirror, the thickness of the layers forming the mirror is selected so that the center of the stop band coincides with the preselected wavelength λ i of the incident light. Is done. In another embodiment, the DBR mirror can be designed such that the reflective region of the structure matches the most important wavelength region of the generated Raman signal and can provide a high SNR. The multilayer structure can also be configured to form an omnidirectional reflector (ODR).

入射光の波長λが、表面金属のプラズマ周波数
ω=(4πnq/m1/2 (1)
に近い周波数に相当するとき、金属表面の伝導電子は、金属表面の欠陥に主として局在化することになる、表面プラズモンと呼ばれる表面電子励起状態に励起されることができる。ここで、nは電子密度を示し、qは電子電荷を示し、mは実効質量を示す。金属表面に周期変調が存在しない場合には、表面プラズモンの分散関係は、
SP=k(εε/(ε+ε))1/2 (2)
で与えられる。ここで、λは、金属の周波数依存複素誘電率であり、λは、誘電体の周波数依存複素誘電率であり、kSPは、表面プラズモンの複素波数ベクトルであり、kは、入射光放射の波数ベクトルである。
The wavelength λ i of the incident light is the plasma frequency of the surface metal ω p = (4πnq 2 / m * ) 1/2 (1)
When the frequency is close to, conduction electrons on the metal surface can be excited to a surface electron excited state called surface plasmon that will be mainly localized to defects on the metal surface. Here, n represents an electron density, q represents an electronic charge, and m * represents an effective mass. When there is no periodic modulation on the metal surface, the dispersion relation of the surface plasmon is
k SP = k 0D ε M / (ε D + ε M )) 1/2 (2)
Given in. Where λ M is the frequency dependent complex permittivity of the metal, λ D is the frequency dependent complex permittivity of the dielectric, k SP is the complex wave number vector of the surface plasmon, and k 0 is the incident It is a wave vector of light emission.

光は、構造内の欠陥において、局在化された表面プラズモン(surface plasmons)(SP)を励起するが、本発明の提案するトポロジーのように、或る条件が満たされる場合、空気−金属界面において表面プラズモンポラリトン(surface plasmons polaritons)(SPP)を励起することもできる。すなわち、金属の複素誘電率の周期変調を導入し、入射光の角度を、以下の位相マッチング条件、すなわち、
SPP=±ksinθ±mQ (3)
が満たされるように選択する。ここで、Q=π/Λは、特定の格子方向に波形周期(corrugation period)Λで周期的に波形を付けられた金属表面の逆格子ベクトルである。
Light excites localized surface plasmons (SP) at defects in the structure, but if certain conditions are met, such as the proposed topology of the present invention, the air-metal interface It is also possible to excite surface plasmons polaritons (SPP). That is, by introducing a periodic modulation of the complex permittivity of the metal, the angle of the incident light is changed to the following phase matching condition:
k SPP = ± k 0 sin θ ± mQ (3)
Choose to be satisfied. Here, Q = π / Λ is a reciprocal lattice vector of a metal surface periodically corrugated in a specific lattice direction with a corrugation period Λ.

変調周期(modulation period)Λが、表面プラズモンポラリトンの波長λSPPの半分に等しい、すなわち、
Λ=λSPP/2 (4)
の場合、表面プラズモンポラリトンの周期波動関数は、金属の表面上で定在波を形成することができる。そして、表面プラズモンポラリトン状態が存在することが許容されないSPPバンドギャップが形成されることによって、SPP分散(2)の擾乱がもたらされる。この現象は、フォトニックバンドギャップ構造におけるフォトニックバンドギャップの形成、又は、固体内の電子についてのバンドギャップの形成と等価である。
The modulation period Λ is equal to half the wavelength λ SPP of the surface plasmon polariton, ie
Λ = λ SPP / 2 (4)
In this case, the periodic wave function of the surface plasmon polariton can form a standing wave on the surface of the metal. Then, the SPP bandgap that does not allow the presence of the surface plasmon polariton state is formed, resulting in disturbance of the SPP dispersion (2). This phenomenon is equivalent to formation of a photonic band gap in a photonic band gap structure or formation of a band gap for electrons in a solid.

同様に、SPPは穴の内部で励起されることができ、穴は上部表面のSPPと結合することができる。   Similarly, the SPP can be excited inside the hole and the hole can combine with the SPP on the top surface.

以下の数式により、有限の厚さの単一金属円柱における表面プラズモン分散について円柱座標(r、θ、z)で解いた電界(Eθ)及び磁界(Hθ)が示される: The electric field (E r E θ E z ) and magnetic field (H r H θ H z ) solved by the cylindrical coordinates (r, θ, z) for the surface plasmon dispersion in a single metal cylinder of finite thickness by the following formula: Is shown:

Figure 2008519254
Figure 2008519254

ここで、ε=ε 、εは媒体jの誘電率であり、nは媒体jの屈折率であり、εは、真空の誘電率であり、
指数因子

Figure 2008519254
であり、j番目の層の波数ベクトルの半径方向成分は、k =(2π/λ)(n −neffective 1/2であり、neffectiveは、プラズモンモードの有効指数である。 Where ε j = ε 0 n j 2 , ε j is the dielectric constant of medium j, n j is the refractive index of medium j, and ε 0 is the dielectric constant of vacuum,
Exponential factor
Figure 2008519254
And the radial component of the wave vector of the j-th layer is k j 2 = (2π / λ) (n j 2 −n effective 2 ) 1/2 , and n effective is an effective exponent of the plasmon mode. is there.

円柱構造は、3層(j=3)から成り、第1の半径方向媒体は、円柱のコア領域(j=0)であり、通常、空気である。第2の媒体は、金属(j=1)から成り、最後に、第3の媒体(j=3)は、誘電体材料、すなわち、クラッド構造から成る。   The cylindrical structure consists of three layers (j = 3), and the first radial medium is the cylindrical core region (j = 0), usually air. The second medium consists of metal (j = 1), and finally the third medium (j = 3) consists of a dielectric material, i.e. a cladding structure.

この方程式のセットについての一般解は、I及びK形態(I and K form)のベッセル関数から成るが、適切な境界条件、すなわち、E及びHの接線成分が金属フィルムの円柱内径及び外径において連続であるという条件も適用されなければならない。境界における電磁界成分のマッチングは、係数a 及びb についての線形方程式系をもたらす。非自明な超越方程式は、表面プラズモン分散関係(neffectiveから導出される)をもたらす根を有することになる。この方程式は、二分法及びニュートンラプソン法等の方法、又は、好ましくは、強化原理法(Augmented principle Method)等のより正確な方法によって数値的に解かれる。 The general solution for this set of equations consists of I and K form Bessel functions, but with appropriate boundary conditions, ie, the tangential components of E and H at the cylinder inner and outer diameters of the metal film. The condition that it is continuous must also apply. Matching of the electromagnetic field components at the boundary results in a system of linear equations for the coefficients a j n and b j n . Non-trivial transcendental equations will have roots that give surface plasmon dispersion relations (derived from n effective ). This equation is solved numerically by methods such as the bisection method and Newton-Raphson method, or preferably by a more accurate method such as the Augmented Principle Method.

さらに、穴を互いに非常に接近させると、誘電体内に延びるエバネッセント場が、1つの穴から近傍の穴へ結合することができ、したがって、接続された金属上部表面が存在しない状態でも、バンドギャップを示すことができるバンド構造が独立して形成される。   In addition, when the holes are very close to each other, the evanescent field extending into the dielectric can couple from one hole to a nearby hole, thus reducing the band gap even in the absence of a connected metal top surface. Band structures that can be shown are formed independently.

倒立角錐構造においてSPモードをモデリングする場合、補助微分方程式−有限差分時間ドメイン(Auxilliary Differential Equation ? Finite Difference Time Domain)(ADE−FDTD)法が使用される。   When modeling the SP mode in an inverted pyramid structure, the auxiliary differential equation-finite difference time domain (ADE-FDTD) method is used.

金属層の誘電率(ε)は、以下に示すように、6次項ローレンツ関数の使用によって近似される。   The dielectric constant (ε) of the metal layer is approximated by the use of a sixth-order Lorentz function, as shown below.

Figure 2008519254
Figure 2008519254

ここで、jは、発振器の数であり、各発振器は、fの強度と周波数ωを持ち、一方、ωは金属プラズマ周波数である。 Where j is the number of oscillators and each oscillator has an intensity of f j and a frequency ω j , while ω p is the metal plasma frequency.

垂直入射のTE偏光ガウスパケット(Gaussian packet)は、構造体の表面から反射し、反射率パワー対波長が収集される。一例のTE偏光シミュレーションが図14にプロットされており、反射パワー1401が波長1402に対してプロットされている。シミュレートされた構造の幾何形状が図14Bにおいて強調されて示されている。角錐の周期性1409が2mmに選択されており、一方、角錐サイズ1405は、0.5mmから1.5mmまで変動しており、角度1407は45°として選択され、選択された金製金属の厚さ1404は0.3mmである。いくつかの共鳴がプロット上に見える。反射の降下が起こっている領域1410が、表面プラズモンが結合されている領域を示し、これによって、光が反射されないことになることに留意されたい。これらが最も重要な領域であり、SPP共鳴結合が所望の入力波長と一致するように、構造が設計される。   A normal incidence TE polarized Gaussian packet is reflected from the surface of the structure and the reflectance power versus wavelength is collected. An example TE polarization simulation is plotted in FIG. 14 where reflected power 1401 is plotted against wavelength 1402. The geometry of the simulated structure is shown highlighted in FIG. 14B. The pyramid periodicity 1409 is selected to be 2 mm, while the pyramid size 1405 varies from 0.5 mm to 1.5 mm, the angle 1407 is selected as 45 °, and the thickness of the selected gold metal The length 1404 is 0.3 mm. Some resonances are visible on the plot. Note that the region 1410 where the drop in reflection occurs indicates the region where the surface plasmons are coupled, thereby preventing light from being reflected. These are the most important areas, and the structure is designed so that the SPP resonant coupling matches the desired input wavelength.

図18Aは、図17Aに示すタイプのプラズモンバンド構造基材の或る範囲における実験反射率スペクトルを示す。垂直入射に対する正規化された反射率が、ナノメートル単位で示された波長に対してプロットされている。プラズモンバンド構造基材におけるピッチは2ミクロンで固定され、一方、倒立角錐径は、0.9325μmから0.7825μmまで変動している。この範囲にわたって、プラズモン共鳴は、より高いエネルギーにシフトするように見える(長い波長1802から短い波長1803への波長シフト1801として示される)。これは、理論的には、18Bにおいて2D ADE−FDTDを使用して検証されている。すなわち、倒立角錐径が1.25μmから1.00μmまで変わるとき、プラズモン共鳴もまた青方偏移1806して、1807から1808への共鳴波長シフトが生じている。   FIG. 18A shows an experimental reflectance spectrum over a range of a plasmon band structure substrate of the type shown in FIG. 17A. Normalized reflectivity for normal incidence is plotted against the wavelength indicated in nanometers. The pitch in the plasmon band structure substrate is fixed at 2 microns, while the inverted pyramid diameter varies from 0.9325 μm to 0.7825 μm. Over this range, the plasmon resonance appears to shift to higher energy (shown as a wavelength shift 1801 from long wavelength 1802 to short wavelength 1803). This is theoretically verified using 2D ADE-FDTD in 18B. That is, when the inverted pyramid diameter changes from 1.25 μm to 1.00 μm, the plasmon resonance also shifts blue 1806, causing a resonance wavelength shift from 1807 to 1808.

さらに、図18Cに示すように、プラズモンエネルギーがエレクトロンボルト単位にて、FDTDシミュレーション結果(破線1812として示されている)と実験結果(中黒の円1811として示されている)から得られ、角錐穴深さの逆数に対してプロットされている。理論と実験の両方における2次(m=2)及び3次(m=3)モードが強調されて示されており、これらは共に、同じエネルギー間隔を有し、また、ピット深さに対する同じ依存性を持っている。実験と理論との間の目に見えるシフトは、実験は3D倒立角錐上で実施されているのに対し、理論は2Dシミュレーションが(倒立角錐構造の有効断面である)V溝タイプ構造上の表面プラズモンをモデル化していることによる。   Furthermore, as shown in FIG. 18C, plasmon energy is obtained in volt units from FDTD simulation results (shown as dashed line 1812) and experimental results (shown as medium black circle 1811). Plotted against reciprocal of hole depth. The second-order (m = 2) and third-order (m = 3) modes in both theory and experiment are highlighted, both having the same energy spacing and the same dependence on pit depth Have sex. The visible shift between experiment and theory is that the experiment is carried out on a 3D inverted pyramid, whereas the theory is that the 2D simulation is a surface on a V-groove type structure (which is the effective cross section of an inverted pyramid structure). By modeling plasmons.

代替の単純で直感的なモデルも提案されている。これは、伝播する表面プラズモンポラリトン(SPP)の、倒立角錐の側面への閉じ込めに基づいたものである。このモデルは、倒立多面体の上部が表面プラズモンに対する無限反射バリアの役目を果たし、鋭利な倒立穴底部が表面プラズモンを伝えると仮定している。これらの仮定を利用して、共鳴プラズモンエネルギーを以下のように予測する単純なモデルを導出することができる。   Alternative simple and intuitive models have also been proposed. This is based on confinement of propagating surface plasmon polaritons (SPPs) to the sides of an inverted pyramid. This model assumes that the top of the inverted polyhedron serves as an infinite reflection barrier for surface plasmons, and the sharp inverted hole bottom conveys surface plasmons. Using these assumptions, a simple model can be derived that predicts resonant plasmon energy as follows.

Figure 2008519254
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ここで、nSPPは、平坦な金上でのSPPモードの有効屈折率であり、ωは、入射光の角周波数であり、mは、プラズモンモードの次数であり、dは、倒立角錐深さであり、αは、角錐面の垂直に対する傾斜角度(この場合、35.3度である)であり、一方、

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は、換算プランク定数(reduced Planck’s constant)である。 Where n SPP is the effective refractive index of the SPP mode on flat gold, ω is the angular frequency of the incident light, m is the order of the plasmon mode, and d is the inverted pyramid depth. And α is the angle of inclination of the pyramid surface with respect to the vertical (in this case 35.3 degrees), while
Figure 2008519254
Is a reduced Planck's constant.

単純なモデルのうちの最初の2つのモードが、図18C上に重ね合されており(白抜きの四角形1813)、FDTDモデルから得られたプラズモン共鳴に非常によく一致しているのが見てわかる。図18Dは、倒立角錐構造におけるモデル化されたTM偏光場の局在と、これに関連した表面プラズモン及び局在化プラズモンを示している。図18Eには、伝播する表面プラズモンが倒立角錐内に閉じ込められるという単純なモデルに基づいて直感的に予測された場の分布が描かれている。局在化したプラズモンは、このように、倒立穴の側壁を上下に移動する非局在化した表面プラズモンによって近似されうる。これは、穴の上部縁におけるノードとノードとの間で共鳴定在波を形成することができるプラズモンモードを提供する。   It can be seen that the first two modes of the simple model are superimposed on FIG. 18C (open square 1813), which is in good agreement with the plasmon resonance obtained from the FDTD model. Recognize. FIG. 18D shows the localization of the modeled TM polarization field in the inverted pyramid structure and the associated surface and localized plasmons. FIG. 18E depicts an intuitively predicted field distribution based on a simple model in which propagating surface plasmons are confined within an inverted pyramid. Localized plasmons can thus be approximated by delocalized surface plasmons that move up and down the side wall of the inverted hole. This provides a plasmon mode that can form a resonant standing wave between nodes at the upper edge of the hole.

ADE−FDTD法はまた、PC−SERS構造の表面に沿って局在化された、入射レーザポンプ場の時間平均平方〈E LASER〉、及び、ラマン場の局在化した時間平均平方〈E RAMAN〉を定量化する手段を提供することができる。このデータを使用し、FOM=〈E LASER〉〈E RAMAN〉と定義することにより、場の局在化によるSERSの増強レベルについての有効な性能指数(Figure Of Merit)(FOM)を計算してもよい。FOMを使用することにより、SERS増強を予測し、その結果として、表面にわたる再現性の制御を予測する手段が得られる。 The ADE-FDTD method is also used to localize along the surface of the PC-SERS structure the time-average square of the incident laser pump field <E 2 LASER > and the localized time-average square of the Raman field <E 2 RAMAN > can be quantified. Use this data to calculate the effective figure of merit (FOM) for the SERS enhancement level due to field localization by defining FOM = <E 2 LASER ><E 2 RAMAN > May be. Using FOM provides a means to predict SERS enhancement and, as a result, predict control of reproducibility across the surface.

小規模な粗さ(約10nm〜100nmのオーダー)がSERSの発生において基本的な役割を果たすことができることが従来技術において知られている。しかし、粗さは、ほとんどの金属堆積プロセスにおいて本来備わっているものである。たとえば、選択する作製プロセスに応じて、金属誘電体層は、金属誘電体の微小柱形状のランダムな波形を有することができる。この微小柱状粗さも、ADE−FDTD法を使用してモデル化することができる。この技法は、表面粗さとPC−SERS構造の両方に関連する、局在化特性とSERS FOMとをモデル化する方法を提供する。   It is known in the prior art that small scale roughness (on the order of about 10 nm to 100 nm) can play a fundamental role in the generation of SERS. However, roughness is inherent in most metal deposition processes. For example, depending on the fabrication process selected, the metal dielectric layer can have a random waveform of metal dielectric micro-columnar shapes. This microcolumnar roughness can also be modeled using the ADE-FDTD method. This technique provides a way to model the localization properties and SERS FOM associated with both surface roughness and PC-SERS structure.

図15Aは、平滑な表面を有する倒立角錐PC−SERS構造上に入射する、波長が785nmの、時間平均されたTM偏光レーザポンプ光の局在化シミュレーションを示す。構造体は、酸化シリコン基板1514、厚さ300nmの堆積金属層1513、及び上部空気領域1515を備えている。650nmの角錐サイズを有する倒立角錐が1ミクロンピッチの正方形アレイ状に配列された構造について結果が計算されている。強い局在化プラズモン1512、及び、弱い表面プラズモン1511が明瞭に見える。   FIG. 15A shows a localization simulation of a time-averaged TM polarized laser pump light with a wavelength of 785 nm incident on an inverted pyramid PC-SERS structure having a smooth surface. The structure includes a silicon oxide substrate 1514, a deposited metal layer 1513 having a thickness of 300 nm, and an upper air region 1515. Results are calculated for a structure in which inverted pyramids having a pyramid size of 650 nm are arranged in a square array of 1 micron pitch. Strong localized plasmons 1512 and weak surface plasmons 1511 are clearly visible.

平坦であるが波形の付いた金製金属表面についての対応する結果が、図15Bに示されている。この波形の付いた平坦金製金属構造は、第1次の近似として、70nmの粗さピッチと50nmの微小柱径と100nmの深さとを有する微小柱状気孔(air cavities)のナノスケール周期構造としてモデル化される。微小柱構造は、1516で示すように、粗さ中にある単一微小柱の周りに強いミー様(Mie-like)プラズモンが局在化することによって、大きなSERS FOMを提供することができることが知られている。   The corresponding results for a flat but corrugated gold metal surface are shown in FIG. 15B. This corrugated flat gold metal structure is a first order approximation as a nanoscale periodic structure of air column cavities having a roughness pitch of 70 nm, a diameter of 50 nm and a depth of 100 nm. Modeled. The microcolumnar structure can provide a large SERS FOM by localizing strong Mie-like plasmons around a single microcolumnar in roughness, as shown at 1516. Are known.

図15Cは、粗い波形が図15AのPC−SERS構造上に重ね合されたときに得られる電磁界の局在化を示す。785nmの入射TM偏光レーザ光の局在化は、主に粗い波形(小規模ミー様共鳴)1517内にあるが、(大規模プラズモンバンド構造のために)表面プラズモン及び局在化したプラズモンを部分的に形成する。しかし、好ましい実施形態では、小規模な粗い波形とは無関係であるが大規模なプラズモンバンド構造特徴に依存する、表面プラズモン及び局在化プラズモン(1518)が優勢になるように、フォトニック結晶SERS領域のパラメータ及び金属層の物理特性が選択される。このように最適化された構造についてのシミュレート結果を図15Dに示す。図示する特定の例において、微小柱状の粗い波形の深さは、図15Cの構造における25nm深さ(大きな小規模ミー様プラズモン共鳴を提供する)から、図15Dの構造における100nm深さまで変わる。このタイプの最適化された設計は、波形の粗さ特性によらず、SERS基材から高い再現性が得られることを保証する。   FIG. 15C shows the electromagnetic field localization obtained when the coarse waveform is superimposed on the PC-SERS structure of FIG. 15A. The localization of the 785 nm incident TM polarized laser light is mainly in the rough waveform (small-scale Mie-like resonance) 1517, but partly because of surface plasmons and localized plasmons (due to the large-scale plasmon band structure). Form. However, in a preferred embodiment, the photonic crystal SERS is such that surface plasmons and localized plasmons (1518) are dominant, which are independent of small coarse waveforms but depend on large plasmon band structure features. Region parameters and physical properties of the metal layer are selected. A simulation result for the structure optimized in this way is shown in FIG. 15D. In the particular example shown, the depth of the micro-columnar rough corrugations varies from 25 nm depth in the structure of FIG. 15C (providing large small-scale Mie-like plasmon resonance) to 100 nm depth in the structure of FIG. 15D. This type of optimized design ensures that high reproducibility is obtained from the SERS substrate, regardless of the waveform roughness characteristics.

フォトニック結晶格子パラメータは、表面プラズモンの寿命を延ばして、分析物分子に対する結合の機会を増やし、もって、測定感度を上げるように、選択することができる。さらに、アレイパターンの適切な変化によって、放出されるラマン信号の角度方向が変更されてもよい。   Photonic crystal lattice parameters can be selected to extend the lifetime of surface plasmons, increase the chance of binding to analyte molecules, and thus increase measurement sensitivity. Furthermore, the angular direction of the emitted Raman signal may be changed by appropriate changes in the array pattern.

分析物211を金属誘電体層に非常に接近させると、エネルギーが、種々のプラズモン状態から分析物分子に結合されて、種々の振動モードを励起し、その結果、ラマン信号の増強をもたらす。SPPに関連する非常に大きなEM場は、分子の振動モード、主として、金属表面に垂直な振動モードを増強することができる。分子は、緩和して、EM放射を放出するか又はラマン信号の放出を媒介するプラズモン表面状態にエネルギーを戻す。   When the analyte 211 is brought very close to the metal dielectric layer, energy is coupled to the analyte molecules from various plasmon states, exciting various vibration modes, resulting in an enhancement of the Raman signal. The very large EM field associated with SPP can enhance molecular vibration modes, primarily vibration modes perpendicular to the metal surface. The molecule relaxes and returns energy to a plasmonic surface state that emits EM radiation or mediates the emission of a Raman signal.

SERS増強は、主に、金属表面からの分子の距離に依存する。2つのメカニズムが、SERS増強に寄与する。すなわち、電磁(EM)的寄与と化学的寄与である。   The SERS enhancement depends mainly on the distance of the molecule from the metal surface. Two mechanisms contribute to SERS enhancement. That is, electromagnetic (EM) contribution and chemical contribution.

金属表面に対する吸着質分子の距離に応じて、EM的寄与又は化学的寄与がより顕著になる。一般に、吸着質−分子複合体を形成するための、吸着質の金属に対する結合が密接になればなるほど、EMの作用がやはり支配的ではあるものの化学的作用が強くなる。   Depending on the distance of the adsorbate molecules to the metal surface, the EM or chemical contribution becomes more pronounced. In general, the closer the bond of the adsorbate to the metal to form the adsorbate-molecule complex, the stronger the chemical action, although the action of EM is still dominant.

さらに、構造体は、エバネッセント場の気孔(air cavities)内への進入深さを変えることにより、金属誘電体表面から一層遠く離れた吸着質に対して敏感であるように検出を調整する手段を提供するように設計されることもできる。これは、フォトニック結晶格子パラメータ及び金属誘電体層の厚さを変えることによって達成してもよい。得られる構造体は、大きな分析物分子、及び、大きな特徴的寸法が検出されることになる、細胞、細菌、又はウィルス等の生物学的材料の検出にとって有益でありうる。   In addition, the structure provides a means to adjust detection to be sensitive to adsorbates further away from the metal dielectric surface by changing the depth of penetration into the evanescent field air cavities. It can also be designed to provide. This may be achieved by changing the photonic crystal lattice parameters and the thickness of the metal dielectric layer. The resulting structure can be beneficial for the detection of large analyte molecules and biological material such as cells, bacteria, or viruses where large characteristic dimensions will be detected.

遠隔への寄与は、上述したように、入射光波によるSPPの共鳴励起によると思われる。しかし、吸着質が金属表面と接触している場合、金属−吸着質複合体を形成し、その結果、増強に対する近接での寄与を、もはや無視することができなくなる。近接での寄与は、(電荷移動(CT)励起子の結果としての)基底状態電子電荷密度分布の変更、及び、新しい電子励起スペクトルによるものと思われる。   As described above, the remote contribution is considered to be due to resonance excitation of the SPP by the incident light wave. However, when the adsorbate is in contact with the metal surface, it forms a metal-adsorbate complex so that the proximity contribution to enhancement can no longer be ignored. Proximity contributions are likely due to changes in the ground state electronic charge density distribution (as a result of charge transfer (CT) excitons) and new electronic excitation spectra.

今までのところ、電荷移動(CT)メカニズムは、完全には理解されていない。2つの主要なアプローチ、すなわち、共鳴ラマンメカニズムと同様のCTメカニズム及び非放射性CTメカニズムが考えられる。金属表面に対する分子の吸着強度に応じて、2つのモデルのいずれかが、近接での増強メカニズムを支配すると思われる。   So far, the charge transfer (CT) mechanism is not fully understood. Two main approaches are possible: a CT mechanism similar to the resonant Raman mechanism and a non-radioactive CT mechanism. Depending on the adsorption strength of the molecules on the metal surface, either of the two models appears to dominate the close-up enhancement mechanism.

分析物分子は、穴の底部又は側壁における金属、穴の開口における金属、PC格子内の欠陥領域、或いは、当てはまる場合には、構造体の金属誘電体コーティングされた上部表面に、非常に接近した状態になることができる。   Analyte molecules are in close proximity to the metal at the bottom or sidewall of the hole, the metal at the opening of the hole, the defect area in the PC lattice, or the metal dielectric coated top surface of the structure, if applicable. Can be in a state.

特定のメカニズムの詳細に関わらず、金属表面に吸着された分子の振動モードの増強におけるSPPの本質的な役割は明白である。もちろん、SPP状態の再分布が、SERS作用を基本的に増加させる可能性が大きいことが明らかになる。   Regardless of the specific mechanism details, the essential role of SPP in enhancing the vibrational modes of molecules adsorbed on metal surfaces is clear. Of course, it becomes clear that the redistribution of the SPP state is likely to increase the SERS effect basically.

入射信号とラマン散乱光とのエネルギー差は、吸着質分子の振動エネルギーに等価であり、ラマンシフト△k
△k=1/λ+1/λscatt (8)
で表すことができる。
The energy difference between the incident signal and the Raman scattered light is equivalent to the vibrational energy of the adsorbate molecule, and the Raman shift Δk
Δk = 1 / λ i + 1 / λ scatter (8)
Can be expressed as

ラマンシフトは、吸着質分子の振動モードに依存するため、その分子に特徴的なものであり、したがって、検査下の分析物の指紋として機能することができる。ラマンシフトした信号は、プラットフォームの面外、又は、導波路構造の面内で収集される。   The Raman shift is characteristic of the adsorbate molecule because it depends on the vibrational mode of the adsorbate molecule and can therefore function as a fingerprint of the analyte under examination. Raman shifted signals are collected out of the plane of the platform or in the plane of the waveguide structure.

分析物は、化学兵器、農薬、尿素、乳酸、汚染物質、アスコルビン酸塩、及びグルコース、又は、蛋白質、脂質、核酸(細菌性及びウィルス性DNA、RNA、PNA等)等の生体分子を含むことができる。   Analytes include chemical weapons, pesticides, urea, lactic acid, contaminants, ascorbate and glucose, or biomolecules such as proteins, lipids, nucleic acids (bacterial and viral DNA, RNA, PNA, etc.) Can do.

プラットフォームは、光放射を受け取るための領域と、取り出すための領域とを有している。これらの領域は、限定はしないが、以下に挙げる、金属フォトニックバンド構造、金属でコーティングした誘電体フォトニックバンド構造、又は誘電体フォトニックバンド構造の群から選択することができる。すなわち、回折格子、傾斜回折格子(graded gratings)、周期2次元フォトニック結晶、傾斜2次元フォトニック結晶又は2重傾斜2次元フォトニック結晶(graded or doubly graded two-dimensional photonic crystals)、準周期2次元フォトニック結晶の群から選択することができる。規則的な機構は、限定はしないが、正方形、三角形、又は長方形幾何形状を含むことができる。細孔又は空気溝(air rods or air slots)の充填率、及び、それぞれのエッチング深さは、ラマン信号を発生するプラットフォームへ、又は、ラマン信号を発生するプラットフォームから光を運ぶことができる、下地となる多層膜構造の面内波数ベクトルへの、又は、面内波数ベクトルからの光の最適結合を促進するように選択することができる。こうした構造の例示的な実施形態を図4に示す。   The platform has an area for receiving light radiation and an area for extraction. These regions can be selected from, but not limited to, the group of metal photonic band structures, metal-coated dielectric photonic band structures, or dielectric photonic band structures listed below. Diffraction gratings, graded gratings, periodic two-dimensional photonic crystals, graded two-dimensional photonic crystals, or graded or doubly graded two-dimensional photonic crystals, quasi-periodic 2 It can be selected from the group of dimensional photonic crystals. Regular features can include, but are not limited to, square, triangular, or rectangular geometries. The filling rate of air rods or air slots, and the respective etching depths, can transport light to or from the platform that generates the Raman signal. Can be selected to facilitate optimal coupling of light to or from the in-plane wave vector of the resulting multilayer structure. An exemplary embodiment of such a structure is shown in FIG.

図4(a)は、下地となる多層膜構造の面内波数ベクトルに光が最適に結合されるように選択された格子パラメータ(格子ピッチ、溝幅、溝深さ)を有する回折格子構造401を示す。図4(b)は、EM放射を受け取るか、又は、取り出すための、第2の例示的な実施形態を示し、この場合、細孔が長方形アレイ状に並んだ2Dフォトニックバンド構造デバイス404を示す。図4(c)は、光放射の修正された放出パターンを生成するのに使用することができる準周期格子トポロジを有するフォトニック結晶405を示す。図4(d)は、光放射を受け取るか、又は、取り出すための構造の第4の例示的な実施形態を示し、この場合、デバイスの劈開した小面408を示す。リブ又は稜構造(rib or ridge structure)407を小面の端部に向けることができる。導波路には、EM波の打ち込み(402)又は収集(403)のための外部光ファイバとのモードマッチングがなされるように、さらにテーパを付けることができる。   FIG. 4A shows a diffraction grating structure 401 having grating parameters (grating pitch, groove width, groove depth) selected so that light is optimally coupled to the in-plane wave vector of the underlying multilayer film structure. Indicates. FIG. 4 (b) shows a second exemplary embodiment for receiving or retrieving EM radiation, where a 2D photonic band structure device 404 with pores arranged in a rectangular array is shown. Show. FIG. 4 (c) shows a photonic crystal 405 having a quasi-periodic grating topology that can be used to generate a modified emission pattern of light emission. FIG. 4 (d) shows a fourth exemplary embodiment of a structure for receiving or extracting light radiation, in this case showing the cleaved facet 408 of the device. A rib or ridge structure 407 can be directed to the edge of the facet. The waveguide can be further tapered so that it is mode matched with an external optical fiber for EM wave implantation (402) or collection (403).

図4(a)は、光放射を受け取る構造を実現するための好ましい実施形態を示し、一方、図4(c)は、光放射を取り出すための構造の好ましい実施形態を示す。   FIG. 4 (a) shows a preferred embodiment for realizing a structure for receiving light radiation, while FIG. 4 (c) shows a preferred embodiment of a structure for extracting light radiation.

プラットフォームは、光放射の前処理及び/又は後処理のための構造503をさらに含むことができる。好ましい実施形態では、凹部は、図5に示すように、プラットフォーム表面の下に位置した平面導波路構造を完全に貫通している。   The platform can further include a structure 503 for pre-processing and / or post-processing of light radiation. In a preferred embodiment, the recess completely penetrates the planar waveguide structure located below the platform surface, as shown in FIG.

フォトニックバンド構造のトポロジ(格子周期、空気穴の径及び深さ)は、構造が、波長502において強度501を有する入射光信号が何らかの形の光学処理を受けるような、予め選択された機能を満たすように、選択される。例えば、以下のプロセスである:すなわち、スペクトルフィルタリング、偏光フィルタリング、光学遅延、ビーム方向制御、回折、及び複数の異なる光子エネルギーの空間分解である。ネマチック液晶又は電気変調非線形材料等の調整可能材料で気孔を浸潤し、基材の上部と底部に電極を塗布(application)すれば、それぞれの機能を電子的に変更することが容易になる。たとえば、印加電圧の変更は、フォトニック結晶(PC)部分のフォトニックバンドギャップの偏光依存シフトをもたらす。これは、特定の偏光状態の光を帯域阻止する、又は、帯域通過させることにより電子制御可能な偏光フィルタとして機能したり、或る周波数範囲の光を通過させる、又は、通過させないことにより電子制御可能な波長フィルタとして機能するのに使用することができる。   The topology of the photonic band structure (grating period, air hole diameter and depth) allows the structure to have a preselected function such that an incident optical signal having intensity 501 at wavelength 502 is subjected to some form of optical processing. Selected to meet. For example, the following processes: spectral filtering, polarization filtering, optical delay, beam direction control, diffraction, and spatial resolution of multiple different photon energies. If the pores are infiltrated with an adjustable material such as a nematic liquid crystal or an electrically modulated nonlinear material, and electrodes are applied to the top and bottom of the substrate, the respective functions can be easily changed electronically. For example, changing the applied voltage results in a polarization dependent shift of the photonic band gap of the photonic crystal (PC) portion. This can function as a polarization filter that can be electronically controlled by blocking or passing light in a specific polarization state, or electronically controlled by allowing or not allowing light in a certain frequency range to pass. It can be used to function as a possible wavelength filter.

導波路構造212は、1つの機能ブロック601、602、604、605から隣接する機能ブロックへエネルギーを輸送することができる。積層部の屈折率、導波路コアの厚さ209、及び上部表面までの距離(距離203と210の和)は、面外放射損失が最小になるように選択される。これは、導波路分散関係を解き、且つ導かれる損失が無いモードを選択することによって達成される。さらに、導波路モードは、いくつかのメカニズムのうちの1つを使用して、横方向に閉じ込められることができる。一例は、結合キャビティ導波路(coupled-cavity waveguide)(CCW)としても知られる、結合式共鳴器光導波路(coupled resonator optical waveguide)(CROW)等のフォトニック結晶線欠陥によって提供される光モードの共鳴結合である。別の例は、稜又はリブ(ridge or rib)導波路、又は、3列以上の欠陥列を有する幅の広いフォトニック結晶チャネル導波路によって提供される、有効屈折率誘導(effective refractive index guiding)である。導波路メカニズムに応じて、導波路の末端におけるモード及び位相マッチング構造が規定されて、隣接するシステムブロック間の結合が改善されることができる。   The waveguide structure 212 can transport energy from one functional block 601, 602, 604, 605 to an adjacent functional block. The refractive index of the stack, the thickness 209 of the waveguide core, and the distance to the top surface (the sum of distances 203 and 210) are selected to minimize out-of-plane radiation loss. This is accomplished by solving the waveguide dispersion relationship and selecting a mode that does not introduce any loss. Furthermore, the waveguide mode can be confined laterally using one of several mechanisms. An example is an optical mode provided by a photonic crystal line defect, such as a coupled resonator optical waveguide (CROW), also known as a coupled-cavity waveguide (CCW). Resonant coupling. Another example is effective refractive index guiding provided by a ridge or rib waveguide, or a wide photonic crystal channel waveguide with more than two defect rows. It is. Depending on the waveguide mechanism, a mode and phase matching structure at the end of the waveguide can be defined to improve coupling between adjacent system blocks.

図6は、集積化プラットフォームの3つの例示的な実施形態を示す。図6(a)は、(左から右へ)光放射を受け取る構造601、たとえば好ましい偏光状態を選択するための前処理ユニット602、ラマン信号を発生するプラットフォーム604、たとえばポンプ光をフィルタリング除去する後処理ユニット605、及びラマン信号を取り出す劈開された小面606を組み込んだプラットフォームを示す。SERS活性領域の下に位置している誘電体多層膜構造は、光を1つの機能ブロックから他のブロックに運ぶ平面導波路構造212を形成する。光402は、光放射を受け取るように設計された構造601に入射し、入射光の面内波数ベクトル成分が平面導波路212に結合し、入射光は、平面導波路212により、PCをベースにした前処理部分602に誘導される。上記前処理ユニット602を通過した後には、光は、規定された偏光状態を有している。この偏光された光は、SPPに結合し、SPPは、活性SERS領域604に非常に接近して位置している分析物分子603の振動モードを励起する。SERS活性領域から出るラマン信号は、導波路212内に再び結合し、たとえば、入射光放射402の波長をフィルタリング除去する後処理ユニット605を通過し、劈開された小面606に誘導され、そこから、光403を取り出すことができる。   FIG. 6 shows three exemplary embodiments of an integrated platform. FIG. 6 (a) shows a structure 601 that receives light radiation (from left to right), eg a preprocessing unit 602 for selecting a preferred polarization state, a platform 604 that generates a Raman signal, eg after filtering out pump light. FIG. 6 shows a platform incorporating a processing unit 605 and a cleaved facet 606 that extracts the Raman signal. The dielectric multilayer structure located below the SERS active region forms a planar waveguide structure 212 that carries light from one functional block to another. The light 402 is incident on a structure 601 designed to receive light radiation, the in-plane wave vector component of the incident light is coupled to the planar waveguide 212, and the incident light is based on the PC by the planar waveguide 212. To the pre-processing portion 602. After passing through the preprocessing unit 602, the light has a defined polarization state. This polarized light binds to the SPP, which excites an oscillation mode of the analyte molecule 603 that is located very close to the active SERS region 604. The Raman signal exiting the SERS active region recombines into the waveguide 212 and passes through a post-processing unit 605 that filters out the wavelength of the incident light radiation 402, for example, and is directed to the cleaved facet 606 therefrom. The light 403 can be extracted.

図6(b)は、モノリシック集積化デバイスを示しており、そのデバイスにおいては、光放射を受け取りかつ取り出す構造、及び、ラマン信号を発生する活性構造が、1つのフォトニック結晶部分607に一体化されている。予め規定された偏光状態の入射光402は、面外からプラットフォームのSERS活性領域に結合する。フォトニックバンド構造特性を利用し、また、光を所望のブロッホモード(Bloch modes)に結合し、同時に、SPモードと相互作用することによって、いくつかの動作が、同時に実施されるようにすることができる。プラットフォームから出るラマン増強電磁信号403は、プラットフォームが放射を受けたのと同じ面から収集される。すなわち、測定は、反射領域(reflection regime)で実施される。入射光の偏光状態は、光を外部偏光フィルタに通すことによって規定することができる。この実施形態では、プラットフォームは、好ましくは、フォトニック結晶SERS活性表面の下に位置した多層膜ミラー構造301を備え、その阻止帯域が所望のラマン信号と重なっていることにより、当該ラマン信号を反射し、反射領域(reflection regime)内に誘導する。この構成は、SERS活性プラットフォームについての好ましい実施形態を示す。   FIG. 6 (b) shows a monolithic integrated device in which the structure for receiving and extracting light radiation and the active structure for generating a Raman signal are integrated into one photonic crystal portion 607. Has been. Incident light 402 in a predefined polarization state is coupled out of plane to the SERS active region of the platform. Utilizing photonic band structure characteristics and coupling light into the desired Bloch modes and at the same time interacting with SP mode to allow several operations to be performed simultaneously Can do. The Raman enhanced electromagnetic signal 403 exiting the platform is collected from the same plane from which the platform received radiation. That is, the measurement is performed in a reflection regime. The polarization state of incident light can be defined by passing light through an external polarizing filter. In this embodiment, the platform preferably comprises a multilayer mirror structure 301 located below the photonic crystal SERS active surface, and its stop band overlaps with the desired Raman signal, thereby reflecting the Raman signal. And guide into the reflection regime. This configuration represents a preferred embodiment for the SERS active platform.

図6(c)は、劈開した小面606が光放射を受け取る構造として機能する、第3の実施形態を示す。入射電磁放射402は、入力小面606から平面導波路構造212を通って誘導されフォトニックバンド構造に結合され、フォトニックバンド構造により、SERS活性領域のSPモードに結合される。フォトニックバンド構造と導波路との間の間隔は、結合強度を決定する。すなわち、距離が短ければ短いほど、結合が強くなる。SERS活性領域と光放射を取り出す構造は、1つの構造ユニット608に一体化されている。SERS活性領域から出るラマン信号403は、後処理及び検出のために面外で収集される。   FIG. 6 (c) shows a third embodiment in which the cleaved facet 606 functions as a structure that receives light radiation. Incident electromagnetic radiation 402 is guided from the input facet 606 through the planar waveguide structure 212 and coupled to the photonic band structure, which is coupled to the SP mode of the SERS active region. The spacing between the photonic band structure and the waveguide determines the coupling strength. That is, the shorter the distance, the stronger the bond. The SERS active region and the structure for extracting light radiation are integrated into one structural unit 608. The Raman signal 403 exiting the SERS active region is collected out of plane for post-processing and detection.

システム
本発明の第2の態様では、図10に概略的に示すように、分析物の検出及び分析のためのシステムが提供される。システムは、少ない入射放射を使用することができ、それでも、標準的なラマン測定と比較して、許容可能な信号対雑音比(SNR)が得られるような、ラマン増強信号を提供する。
System In a second aspect of the present invention, a system for analyte detection and analysis is provided, as schematically illustrated in FIG. The system can use less incident radiation and still provide a Raman enhancement signal such that an acceptable signal-to-noise ratio (SNR) is obtained compared to standard Raman measurements.

システムは、電磁放射を放出する光源1001と、光信号を前処理する機能ユニット1002と、光放射を受け取る構造1003と、ラマン信号を発生する構造1006と、ラマン増強信号を後処理する機能ユニット1004と、光放射を取り出す構造1005と、ラマン増強電磁放射を検出するセンサ1007とを備えている。光放射を前処理するユニット1002及び光放射を受け取るユニット1003、並びに、光放射を後処理するユニット1004及び光放射を取り出すユニット1005は、代替の分岐によって、図10に概略的に示すように交換することができる。すなわち、機能的前処理/後処理ユニットは、デバイス内に一体化されることも、デバイスの外部にあることもできる。   The system includes a light source 1001 that emits electromagnetic radiation, a functional unit 1002 that pre-processes the optical signal, a structure 1003 that receives the optical radiation, a structure 1006 that generates a Raman signal, and a functional unit 1004 that post-processes the Raman enhancement signal. And a structure 1005 for extracting light radiation and a sensor 1007 for detecting Raman-enhanced electromagnetic radiation. The unit 1002 for pre-processing light radiation, the unit 1003 for receiving light radiation, and the unit 1004 for post-processing light radiation and the unit 1005 for extracting light radiation are replaced by alternative branches as shown schematically in FIG. can do. That is, the functional pre-processing / post-processing unit can be integrated within the device or external to the device.

図10に示す前処理機能は、外部で個々の偏光子及び光学フィルタによるか、又は面内のいずれかで達成されうる、入射EM放射の偏光制御及び/又はフィルタリングを含むことができる。光を面内で結合する場合、前処理は、プラットフォームにおいて前に説明したように、SERS活性プラットフォームと共に一チップ上にモノリシック集積化されうる。たとえば、PC部分は、波長フィルタ又は偏光フィルタの役割を果たすように、面内で規定されうる。   The preprocessing functions shown in FIG. 10 can include polarization control and / or filtering of incident EM radiation, which can be accomplished either externally with individual polarizers and optical filters, or in-plane. When coupling light in-plane, the pre-processing can be monolithically integrated on a single chip with the SERS active platform, as previously described in the platform. For example, the PC portion can be defined in-plane to act as a wavelength filter or a polarizing filter.

後処理ユニットは、SNRを改善するためにポンプ光をフィルタリングすることができ、検出のために所望の偏光状態をフィルタリングすることができ、又は、放出光子の異なるエネルギーを空間的に分解することによりモノリシック集積化されたスペクトル分析器の役割を果たすように使用することができる。ラマン信号が面内で検出される場合、ラマン信号は、たとえば、導波路コアに貫入してスーパープリズム、偏光フィルタ、又はスペクトルフィルタの役割を果たす別個のPC部分に誘導することができる。或いは、SERS活性領域を構成するPC回折格子を、SPPの伝播方向がそれぞれのエネルギーに非常に敏感であるように規定することができる。   The post-processing unit can filter the pump light to improve the SNR, filter the desired polarization state for detection, or by spatially resolving the different energies of the emitted photons It can be used to act as a monolithically integrated spectrum analyzer. If the Raman signal is detected in-plane, the Raman signal can be directed to a separate PC portion that, for example, penetrates the waveguide core and serves as a super prism, polarizing filter, or spectral filter. Alternatively, the PC grating that constitutes the SERS active region can be defined such that the propagation direction of the SPP is very sensitive to the respective energy.

したがって、システム装備の小型化及びシステムを構成する必要部品の数の低減を、それぞれ独立にもたらすことができる2つのタイプの部品集積化を、確認することができる。第1に、機能ブロックはSERS活性領域と共に同じチップ上に集積化してもよい。第2に、同じバイオチップ上に規定される隣接機能ブロックを組み合わせて1つの構造要素にしてもよい。   Therefore, it is possible to confirm two types of component integration that can independently bring down the size of the system equipment and the reduction in the number of necessary components constituting the system. First, the functional block may be integrated on the same chip with the SERS active region. Secondly, adjacent structural blocks defined on the same biochip may be combined into one structural element.

第1の集積化タイプの例を図6(a)に示した。受動導波路領域に隣接して位置した活性領域を規定することによって、システム内の既に述べたもの以外の能動部品、すなわち、光放射を放出する光源及びSERS信号を検出するセンサを、バイオチップ上に集積化することができ、外部光源及び/又は外部光検出器を設ける必要性がなくなる。   An example of the first integration type is shown in FIG. By defining an active region located adjacent to the passive waveguide region, active components other than those already mentioned in the system, i.e., a light source emitting light radiation and a sensor detecting the SERS signal, are placed on the biochip. So that it is not necessary to provide an external light source and / or an external photodetector.

第2の集積化タイプの例を、図6(b)及び図6(c)に示す。互いに隣り合う、光放射を受け取り且つ/又は取り出す機能ブロックとラマン信号を発生する機能ブロックとが、1つの構造要素607及び608にそれぞれ集積化されている。   Examples of the second integration type are shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c). Adjacent to each other, functional blocks for receiving and / or extracting optical radiation and functional blocks for generating Raman signals are integrated in one structural element 607 and 608, respectively.

したがって、図10で示した機能ブロックの多くを、モノリシック集積化デバイスにモノリシック集積化することが可能であり、そのため、システムを形成する個々の部品の数が減り、したがって、空間コスト及び部品コストが節約される。   Accordingly, many of the functional blocks shown in FIG. 10 can be monolithically integrated into a monolithic integrated device, thereby reducing the number of individual components that form the system, and thus reducing space and component costs. Saved.

方法
本発明の第3の態様では、上述したプラットフォーム及びシステムを使用する、分析物を検出及び分析する方法が提供される。この方法を図9に概略的に示す。分析物分子は、PC SERS活性領域に近接させられる(851)。光源がオンされ(852)、その電磁放射が、前処理ユニットを通過する。前処理ユニットの設定は、波長、偏光状態、及び/又は、入射角度等の予め規定された入射パラメータの光を、表面の上の領域か、もしくは、表面の下に位置する平面導波路構造のいずれかから、SERS活性領域に結合するように調整される(853)。
Method In a third aspect of the invention, a method is provided for detecting and analyzing an analyte using the platform and system described above. This method is shown schematically in FIG. Analyte molecules are brought close to the PC SERS active region (851). The light source is turned on (852) and the electromagnetic radiation passes through the pretreatment unit. The setting of the pre-processing unit allows light of a predefined incident parameter such as wavelength, polarization state and / or angle of incidence to be applied to a planar waveguide structure located in a region above or below the surface. From either, it is adjusted to bind to the SERS active region (853).

光は、種々のプラズモン状態を励起する。ここで、この種々のプラズモン状態は、互いに結合することができ、吸着質分子の互いに異なる複数の振動モードにエネルギーを移送することができる。ラマン信号は、収集され、後処理ユニットを通過し、分光計又は前に概説した他の手段を使用して、選択されたシステム構成に応じて面内又は面外のいずれかで検出される(854)。   Light excites various plasmon states. Here, the various plasmon states can be bonded to each other, and energy can be transferred to a plurality of different vibration modes of the adsorbate molecule. The Raman signal is collected and passed through a post-processing unit and detected either in-plane or out-of-plane depending on the selected system configuration using a spectrometer or other means outlined above ( 854).

図16A、図16B、及び図16Cは、特許請求されるPC−SERS基材を使用して検出された実験ラマン信号を、カウント数対波数にて示したものである。ベンゼンチオールの自己組織化単分子層(self-assembled monolayer)(SAM)が、PC−SERS基材の表面上に配置され、レニショー(Renishaw)ラマン分光計を使用して検出される。PC−SERS構造のSEM顕微鏡写真が図16A、図16B、及び図16Cに挿入して示されている。全ての構造上の金属コーティングは、公称300nmである。   FIGS. 16A, 16B, and 16C show the experimental Raman signals detected using the claimed PC-SERS substrate in counts versus wave numbers. A self-assembled monolayer (SAM) of benzenethiol is placed on the surface of the PC-SERS substrate and detected using a Renishaw Raman spectrometer. SEM micrographs of the PC-SERS structure are shown inserted in FIGS. 16A, 16B, and 16C. All structural metal coatings are nominally 300 nm.

図16Aに示す構造では、SERS活性領域は、金属コーティングされた正方形格子細孔フォトニック結晶領域を備える。細孔の格子ピッチは、約600nmであり、粗い波形(〜50nm)によるSERS増強に関連する従来技術の構造に比べて、ほぼ一桁大きいスケールである。図示のように、ベンゼンチオールSAMからのラマン信号は、PC−SERS基材からのSERSの検出の実現可能性を強調している。これらの構造は、寸法が小さいために、通常、高価な直接書き込み電子ビームリソグラフィ、又は、別法として、ナノインプリンティングを使用して、リソグラフィ的に規定される。   In the structure shown in FIG. 16A, the SERS active region comprises a metal coated square lattice pore photonic crystal region. The lattice pitch of the pores is about 600 nm, a scale that is almost an order of magnitude larger than prior art structures related to SERS enhancement with a rough waveform (˜50 nm). As shown, the Raman signal from the benzenethiol SAM highlights the feasibility of detecting SERS from the PC-SERS substrate. Because of their small dimensions, these structures are usually lithographically defined using expensive direct write electron beam lithography, or alternatively, nanoimprinting.

より費用効果的な作製のために、図16Bに示す構造は、2μmピッチで配列された倒立角錐を備える金属コーティングされた変調フォトニック結晶表面から成り、一方、図16Cに示す構造は、倒立角錐を備え、ディープエッチングされた円柱穴が倒立角錐の頂点に配置された、金属コーティングされた波形表面から成る。これらの構造は、低コストフォトリソグラフィを使用して規定することができる。深い(アスペクト比の高い)円柱穴は、通常、40μmより深く、この例では、6μmピッチで、0.3μmの金の金属コーティングを有する。優れた再現性を強調するために、ベンゼンチオールSAMについてのいくつかのラマン信号が、PC−SERS基材の25μm×25μmエリアの回りの25個の異なるロケーションで収集され、同じプロット上に重ね合されている。異なる実験についての、バックグラウンドレベルに対する1071cm−1におけるピーク高さの相対標準偏差は、アスペクト比の高い構造について7.0%、倒立角錐構造について9.9%として計算された。ラマン信号のバックグラウンド(大きな波数範囲にわたって検出される帯域の広い背景信号を特徴とする)は、使用されるPC−SERS構造に応じて大幅に低減されることができることにも留意されたい。特に、図16Cに示すアスペクト比の高い構造は、効果を劇的に低減する。これは、無指向性散乱バックグラウンド信号とは反対に、ラマン信号が指向性を持って面外に効率的に結合することによる。 For more cost effective fabrication, the structure shown in FIG. 16B consists of a metal-coated modulated photonic crystal surface with inverted pyramids arranged at a 2 μm pitch, while the structure shown in FIG. 16C is an inverted pyramid. And comprises a metal-coated corrugated surface with a deep etched cylindrical hole located at the apex of an inverted pyramid. These structures can be defined using low cost photolithography. Deep (high aspect ratio) cylindrical holes are typically deeper than 40 μm, and in this example have a gold metal coating of 0.3 μm at a 6 μm pitch. To highlight the excellent reproducibility, several Raman signals for benzenethiol SAM were collected at 25 different locations around the 25 μm × 25 μm area of the PC-SERS substrate and superimposed on the same plot. Has been. The relative standard deviation of peak height at 1071 cm −1 relative to the background level for the different experiments was calculated as 7.0% for the high aspect ratio structure and 9.9% for the inverted pyramid structure. It should also be noted that the Raman signal background (characterized by a wide band background signal detected over a large wavenumber range) can be significantly reduced depending on the PC-SERS structure used. In particular, the high aspect ratio structure shown in FIG. 16C dramatically reduces the effect. This is due to the efficient coupling of the Raman signal out of plane with directivity, as opposed to the omnidirectional scattered background signal.

PC−SERS活性領域内の表面粗さ波形から生じるSERS信号に対する寄与の可能性を特徴付けるために、金属コーティングされた倒立角錐SERS構造の高分解能電界放出電子銃SEM(FEG−SEM)が、図17Aに示すように得られた。側壁の粗さは約70nmであり、約20nmの気孔(air cavities)が50nm〜100nmの深さを有する微小柱を囲んでいることがわかる。   To characterize the possible contribution to the SERS signal resulting from the surface roughness waveform in the PC-SERS active region, a metal-coated inverted pyramid SERS structure high-resolution field emission electron gun SEM (FEG-SEM) is shown in FIG. As shown in FIG. It can be seen that the roughness of the sidewall is about 70 nm, and about 20 nm air cavities surround the micropillars having a depth of 50 nm to 100 nm.

対照比較のために、同じ粗面波形を有する平坦なパターニングされていない金層に関してベンゼンチオールSAMのSERS効果が調査された。得られた測定SERS信号を図17Bに示す(表面のSEMが挿入して示される)。点線は、図16A、図16B、及び図16Cの結果をもたらした実験で使用されたのと同じ採取時間及び設定を使用して採取されたラマンスペクトルを示し、一方、実線は、6倍長い採取時間を示している。ラマン形跡の明白な欠如は、ベンゼンチオールが検出されず、したがって、試験下の平坦な粗い金表面がSERS活性基材でないことを意味する。   For a control comparison, the SERS effect of benzenethiol SAM was investigated on a flat unpatterned gold layer with the same rough waveform. The measured SERS signal obtained is shown in FIG. 17B (shown with surface SEM inserted). The dotted line shows the Raman spectrum acquired using the same acquisition time and settings used in the experiments that resulted in FIGS. 16A, 16B, and 16C, while the solid line is 6 times longer Shows time. The apparent lack of Raman signatures means that benzenethiol is not detected and therefore the flat rough gold surface under test is not a SERS active substrate.

しかし、図17Aの金属コーティングした倒立角錐SERS構造の分散特性を詳細に調査すると、長いスケールのパターニングされたプラズモンバンド構造に起因する多くの顕著な特徴が明らかになる。図17Cは、コリメートされたさまざまな波長のレーザ光を異なる入射角度で構造に入射させる、反射率実験の結果を示す。プラズモンエネルギー(したがって、角周波数)を入射角θに対してプロットしている。得られる等高線図は、倒立角錐PC−SERS基材の2Dプラズモン分散図を示す。いくつかの薄くなっている線1706は、構造の大規模周期変調に関連する互いに異なるいくつかの回折モードへの入射光の結合を示している。しかし、島状部1703の離散した複雑なパターンは、表面プラズモン及び局在化プラズモンから生じ、金属コーティングした倒立角錐構造に起因する。光が、これらの局在化したプラズモン領域内に結合すると、SERSを達成することができる。PC−SERSパラメータの選択中に、これらの島状部の配置及び豊富さを、SERS効果を最適化するように調整することができ、再現性の高いSERS信号を生じる。   However, a close examination of the dispersion characteristics of the metal-coated inverted pyramid SERS structure of FIG. 17A reveals many prominent features due to the long scale patterned plasmon band structure. FIG. 17C shows the results of a reflectance experiment in which collimated laser beams of various wavelengths are incident on the structure at different angles of incidence. Plasmon energy (and hence angular frequency) is plotted against incident angle θ. The resulting contour map shows a 2D plasmon dispersion diagram of the inverted pyramid PC-SERS substrate. Several thinned lines 1706 show the coupling of incident light into several different diffraction modes associated with large-scale periodic modulation of the structure. However, the discrete and complex pattern of islands 1703 arises from surface plasmons and localized plasmons and is attributed to the metal-coated inverted pyramid structure. SERS can be achieved when light is coupled into these localized plasmon regions. During the selection of the PC-SERS parameters, the placement and richness of these islands can be adjusted to optimize the SERS effect, resulting in a highly reproducible SERS signal.

PCピッチが0.4μmから6μmまで変わる構造について実験が実施され、構造は、サンプルごとに15%未満の変動で、優れた再現性を示した。   Experiments were conducted on structures where the PC pitch varied from 0.4 μm to 6 μm, and the structures showed excellent reproducibility with less than 15% variation from sample to sample.

図18Fでは、局在化プラズモン共鳴をポンプレーザ波長にマッチングさせることによるSERS信号への影響が明らかになっている。この実験では、4−アミノチオフェノールの単分子層被覆を、図18Aを参照して述べた基材と類似の傾斜倒立角錐基材に付着させている。図18Fのプロットから、1、080cm−1線についてのSERS信号(カウント数単位)は、マイクロメートル単位の倒立ピット深さを変えることによって、局在化プラズモンが、励起されたポンプレーザ光と共鳴状態になるため、著しく増強されることが、明らかにわかる。 In FIG. 18F, the effect on the SERS signal by matching localized plasmon resonance to the pump laser wavelength is evident. In this experiment, a monolayer coating of 4-aminothiophenol is attached to a tilted inverted pyramid substrate similar to the substrate described with reference to FIG. 18A. From the plot of FIG. 18F, the SERS signal (count unit) for the 1,080 cm −1 line resonates with the excited pump laser light by changing the inverted pit depth in micrometer units. It can clearly be seen that it is significantly enhanced as it enters the state.

本発明の別の態様では、図19は、限定はしないが、倒立角錐の小領域のアレイを備える、作製における許容度があり、且つ、波長に敏感でない金属誘電体フォトニック結晶構造の平面図を示す。水平方向及び垂直方向に1901及び1902によって規定される小領域は、同じピッチ1903で配列された異なるサイズの複数の倒立多面体から成る。小領域内のそれぞれの倒立多面体は、異なる局在化プラズモン共鳴を提供し、したがって、さまざまな範囲の動作入力レーザ波長について最適な場の局在化を可能にする。さらに、その範囲の局在化プラズモン共鳴は、互いに異なる複数の波長の出力ラマン光がプラズモン共鳴に再び結合し出力結合領域に伝播することを可能にする。SERS信号の再現性を改善するために、入射レーザスポットサイズ1904は、少なくとも1つの小領域に重なるように設定される。   In another aspect of the present invention, FIG. 19 is a plan view of a metal dielectric photonic crystal structure that is not limited and that is tolerant in fabrication and is not wavelength sensitive, comprising an array of small regions of inverted pyramids. Indicates. The small areas defined by 1901 and 1902 in the horizontal and vertical directions are composed of a plurality of inverted polyhedrons of different sizes arranged at the same pitch 1903. Each inverted polyhedron in the small region provides a different localized plasmon resonance, thus allowing optimal field localization for a range of operating input laser wavelengths. Furthermore, the localized plasmon resonance in that range allows output Raman light of a plurality of different wavelengths to be recombined with the plasmon resonance and propagated to the output coupling region. In order to improve the reproducibility of the SERS signal, the incident laser spot size 1904 is set to overlap at least one small region.

作製方法
本発明の第4の態様では、SERS活性プラットフォームを作製する方法が提供される。作製プロセスは、図8A(a)〜図8A(k)に概略的に示され、エピタキシャル成長ステップ、パターン規定工程、異方性の高いエッチングプロセス、及び金属蒸着工程を含む。
Method of Making In a fourth aspect of the invention, a method of making a SERS active platform is provided. The manufacturing process is schematically shown in FIGS. 8A (a) to 8A (k), and includes an epitaxial growth step, a pattern defining step, a highly anisotropic etching process, and a metal deposition step.

図8A(b)に示す第1のステップでは、多層誘電体構造104が、基板108(図8A(a))の上部でエピタキシャル成長して、たとえば、多層膜ミラー構造又は導波路構造が形成される。エピタキシャル成長技術は、限定はしないが、以下の技術の群、すなわち、分子線エピタキシ(MBE)、有機金属気相エピタキシ(MOVPE)、ガスソース分子線エピタキシ(gas source molecular beam epitaxy)(GSMBE)/化学線エピタキシ(CBE)/金属有機分子線エピタキシ(MOMBE)、液相エピタキシ(LPE)、原子層エピタキシ(ALE)、水素化物(又はハロゲン化物)気相エピタキシ(HVPE)、気相成長、固相エピタキシから選択することができる。   In the first step shown in FIG. 8A (b), the multilayer dielectric structure 104 is epitaxially grown on top of the substrate 108 (FIG. 8A (a)) to form, for example, a multilayer mirror structure or waveguide structure. . Epitaxial growth techniques include, but are not limited to, the following groups of techniques: molecular beam epitaxy (MBE), metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), gas source molecular beam epitaxy (GSMBE) / chemistry Line Epitaxy (CBE) / Metal Organic Molecular Beam Epitaxy (MOMBE), Liquid Phase Epitaxy (LPE), Atomic Layer Epitaxy (ALE), Hydride (or Halide) Vapor Phase Epitaxy (HVPE), Vapor Phase Growth, Solid Phase Epitaxy You can choose from.

図8A(c)に示す第2のステップでは、エッチングマスク層802が、好ましくは、クラッド103の、有機的に洗浄された表面上に堆積され、その後、レジスト層801が堆積される。エッチングマスク層802は、誘電体材料又は金属材料から成ることができ、その厚さは、後のエッチングプロセスにおいて、所望のエッチング深さに達するまでシャドウマスクの役割を果たすように選択される。マスク材料は、たとえば、真空スパッタリング又は電子ビーム蒸着プロセスを使用して堆積することができる。   In the second step shown in FIG. 8A (c), an etch mask layer 802 is preferably deposited on the organically cleaned surface of the cladding 103, followed by a resist layer 801. The etch mask layer 802 can be composed of a dielectric material or a metal material, and its thickness is selected to serve as a shadow mask in a subsequent etch process until the desired etch depth is reached. The mask material can be deposited using, for example, vacuum sputtering or an electron beam evaporation process.

その後、以下の方法、すなわち、フォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ、干渉リソグラフィ、又はインプリントリソグラフィのうちの1つを使用し、その後レジストの現像を行うことにより、パターンをレジスト内に規定することができる(図8A(d))。パターンは、次に、選択性の高いエッチングプロセスを使用して、エッチングマスクに転写される(図8A(e))。ここで、この選択性の高いエッチングプロセスは、エッチングマスク802を選択的に除去するものの、上層材料103内まではエッチングしない。   The pattern can then be defined in the resist by using one of the following methods: photolithography, electron beam lithography, interference lithography, or imprint lithography, followed by resist development. (FIG. 8A (d)). The pattern is then transferred to the etch mask using a highly selective etching process (FIG. 8A (e)). Here, this highly selective etching process selectively removes the etching mask 802 but does not etch into the upper layer material 103.

第2の異方性の高いエッチングプロセスを使用して、図8A(f)に示すように穿孔層803をシャドウエッチングマスクとして使用して、穴又は凹部804を基材に転写する。この処理には、以下の例示的なエッチングプロセス、すなわち、電子サイクロトロン共鳴型反応性イオンエッチング(electron cyclotron assisted reactive ion etching)(ECR−RIE)、反応性ガス支援イオンビームエッチング(chemically assisted ion beam etching)(CAIBE)、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング(inductive coupled plasma reactive ion etching)(ICP−RIE)、及びイオンビームミリング(ion beam milling)又はアノードエッチング(anodic etching)を使用することができる。   Using the second highly anisotropic etching process, the hole or recess 804 is transferred to the substrate using the perforated layer 803 as a shadow etch mask as shown in FIG. 8A (f). This process includes the following exemplary etching processes: electron cyclotron assisted reactive ion etching (ECR-RIE), chemically assisted ion beam etching. ) (CAIBE), inductive coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE), and ion beam milling or anodic etching can be used.

基材表面の上部に金属コーティングを有することが望ましいか否かに応じて、エッチングマスクの残りは、それぞれ、除去されるか、又は、保持される。図8A(j)に概略的に示すように、エッチングマスクの除去が望ましい場合、ドライエッチングプロセスかウェットエッチングプロセスのいずれかを使用して、達成することができる。   Depending on whether it is desirable to have a metal coating on top of the substrate surface, the remainder of the etch mask is removed or retained, respectively. As shown schematically in FIG. 8A (j), if removal of the etch mask is desired, it can be accomplished using either a dry etch process or a wet etch process.

接着層208、たとえば、クロム又はメルカプト−プロピルトリメトキシシランの単分子層が、図8A(g)及び図8A(j)に示すように、金属表面上に堆積されて、基材に対する貴金属の結合が改善される。貴金属は、次に、サンプル103の上部の接着層の上部、並びに、穴105及び106の内部に、堆積されるか、又は、メッキされる(電気メッキ及び無電気メッキ)(図8A(h)及び図8A(k))。構造体が細孔の底部および側面に金属誘電体層を持つことを確実にするために、粒子の流れ1201を、基材表面の法線に対して図12に示す適切な角度だけ傾斜させる。基材1202が上に搭載される構造1203は、材料がサンプル上に堆積する間、連続して回転される。エッチングマスクは、予め除去されていない場合、ここで、除去されて、隔離され金属コーティングされた105、106空気穴が形成される(図8A(i))。   An adhesion layer 208, such as a monolayer of chromium or mercapto-propyltrimethoxysilane, is deposited on the metal surface as shown in FIGS. 8A (g) and 8A (j) to bond the noble metal to the substrate. Is improved. The noble metal is then deposited or plated (electroplating and electroless plating) on top of the adhesive layer on top of the sample 103 and inside the holes 105 and 106 (FIG. 8A (h) And FIG. 8A (k)). To ensure that the structure has a metal dielectric layer at the bottom and sides of the pores, the particle flow 1201 is tilted by the appropriate angle shown in FIG. 12 with respect to the normal of the substrate surface. The structure 1203 on which the substrate 1202 is mounted is continuously rotated while material is deposited on the sample. If the etch mask has not been previously removed, it is now removed to form isolated and metal coated 105, 106 air holes (FIG. 8A (i)).

金属堆積又はメッキの方法に応じて、金属誘電体層の粗い波形を制御することができる。これらは、通常、約10nm〜100nmの小規模な粗さの範囲内にある。粗さは、粗さの度合い及び寸法に影響を及ぼす可能性がある、作製堆積プロセス条件によって制御することができる。関連パラメータの例は、堆積速度、基材の温度、r.f.電力レベル、チャンバ真空圧を含む。粗い波形の深さもまた、堆積された金属誘電体層の厚さに依存する可能性がある。   Depending on the method of metal deposition or plating, the rough waveform of the metal dielectric layer can be controlled. These are usually in the small roughness range of about 10 nm to 100 nm. Roughness can be controlled by fabrication deposition process conditions that can affect the degree and size of roughness. Examples of relevant parameters are deposition rate, substrate temperature, r. f. Includes power level, chamber vacuum pressure. The depth of the rough corrugation can also depend on the thickness of the deposited metal dielectric layer.

作製された構造体は、図13に概略的に示す金属誘電体表面形状変調を持つことになる。すなわち、金属誘電体コーティングされた穴の上部表面1301は、下地となる誘電体構造の上部表面1302より低くなる。   The manufactured structure has a metal dielectric surface shape modulation schematically shown in FIG. That is, the upper surface 1301 of the metal dielectric coated hole is lower than the upper surface 1302 of the underlying dielectric structure.

別の作製方法では、レジストパターン規定に続いて穴/凹部を規定するような異方性ウェットエッチングを採用している。異方性ウェットエッチングは、既知の技法であり、MEMエリアにおいて一般に使用されている。基材の表面上に所定の倒立多面体構造を規定するために、単結晶シリコンの特定の面に沿う選択的エッチングを採用する。その形状は、シリコンウェハの結晶配向、レジストパターン、及びエッチング継続時間を選択することによって決定される。全ての倒立多面体面が、基板の{111}結晶面に沿うと、エッチングプロセスが一旦停止される。最も単純な形態では、{100}単結晶ウェハ表面850が図8B(a)に示すように選択される。エッチングマスク層851が、好ましくは、単結晶シリコンの、有機的に洗浄された表面上に堆積される。エッチングマスク層851は、異方性ウェットエッチングに選択的に耐性のある誘電体材料から成ることができる。これらは、通常、窒化シリコン又は二酸化シリコンである。その後、前に説明した技法のうちの1つの技法を使用して、パターンがレジスト852内に規定され、次に、マスク内に転写される(図8B(b))。   Another fabrication method employs anisotropic wet etching that defines the holes / recesses following the resist pattern definition. Anisotropic wet etching is a known technique and is commonly used in the MEM area. Selective etching along specific faces of single crystal silicon is employed to define a predetermined inverted polyhedral structure on the surface of the substrate. Its shape is determined by selecting the crystal orientation of the silicon wafer, the resist pattern, and the etching duration. Once all the inverted polyhedron surfaces are along the {111} crystal plane of the substrate, the etching process is temporarily stopped. In the simplest form, a {100} single crystal wafer surface 850 is selected as shown in FIG. 8B (a). An etch mask layer 851 is preferably deposited on the organically cleaned surface of single crystal silicon. The etching mask layer 851 can be made of a dielectric material that is selectively resistant to anisotropic wet etching. These are usually silicon nitride or silicon dioxide. Thereafter, using one of the previously described techniques, a pattern is defined in resist 852 and then transferred into the mask (FIG. 8B (b)).

異方性ウェットエッチングプロセスを使用して、凹部854が、図8B(c)及び図8B(g)に示すように形成される。異方性ウェットエッチングに使用されるウェットエッチングプロセスの化学物質の例は、EDP(エチレンジアミン ピロカテコール)、CsOhH、KOH、NaOH、又はN−H0(ヒドラジン)である。エッチング速度もまた、温度及び濃度によって制御することができることにも留意されたい。{100}表面配向ウェハの場合、エッチングが自然に停止することを許容する場合には、倒立角錐構造が形成される。基材の上部表面(図8B(c)及び図8B(g)で破線に示す)と傾斜した小面とで作る角度は、約54°である。倒立角錐の位置は、マスク内のエッチングされた小領域の位置によって決定される。しかし、異方性ウェットエッチングが自然に停止することを許容する場合、マスク上のアレイの要素の形状は無意味になり、図8B(g)等の構造が形成されることに留意されたい。形成される倒立多面体の形状は、最終的には、シリコン結晶面の配向によって決定され、{100}の場合、倒立角錐が形成される。倒立角錐のサイズは、マスク小領域857のサイズに依存し、小領域の周縁が図8B(k)に示すように角錐ベース856によって完全に閉囲されるまで拡張することになる。異方性ウェットエッチングが、早期に終了することを許容する場合には、より複雑な切頭角錐構造が形成される。これを、{100}結晶基材配向について図8B(c)に示す。 Using an anisotropic wet etching process, a recess 854 is formed as shown in FIGS. 8B (c) and 8B (g). Examples of chemical wet etch process used in the anisotropic wet etching, EDP (ethylenediamine pyrocatechol), CsOhH, a KOH, NaOH, or N 2 H 4 -H 2 0 (hydrazine). Note also that the etch rate can also be controlled by temperature and concentration. In the case of a {100} surface oriented wafer, an inverted pyramid structure is formed if etching is allowed to stop spontaneously. The angle formed by the upper surface of the substrate (shown in broken lines in FIGS. 8B (c) and 8B (g)) and the inclined facet is about 54 °. The position of the inverted pyramid is determined by the position of the etched small area in the mask. However, it should be noted that if the anisotropic wet etch is allowed to stop spontaneously, the shape of the array elements on the mask becomes meaningless and a structure such as FIG. 8B (g) is formed. The shape of the inverted polyhedron to be formed is finally determined by the orientation of the silicon crystal plane. In the case of {100}, an inverted pyramid is formed. The size of the inverted pyramid depends on the size of the mask subregion 857 and will expand until the periphery of the small region is completely enclosed by the pyramid base 856 as shown in FIG. 8B (k). If anisotropic wet etching is allowed to finish early, a more complex truncated pyramid structure is formed. This is shown in FIG. 8B (c) for {100} crystal substrate orientation.

別の好ましい実施形態では、異方性ウェットエッチングに続いて、付加的なエッチングステップもさらに実施される。これは、図8B(l)に示すように倒立角錐と穴とを組み合せた構造を提供する。穴858の断面は、(857のように)エッチングマスク小領域の形状をとる。エッチングは、異方性の高い反応性イオンエッチング、イオンビームミリング、又はアノードエッチングを使用して実施することができる。10:1より大きい穴深さ対格子ピッチを有する構造を達成することができる。   In another preferred embodiment, an additional etching step is further performed following the anisotropic wet etching. This provides a structure that combines an inverted pyramid and a hole as shown in FIG. 8B (l). The cross section of the hole 858 takes the shape of a small area of the etching mask (as in 857). Etching can be performed using highly anisotropic reactive ion etching, ion beam milling, or anodic etching. A structure with a hole depth versus lattice pitch greater than 10: 1 can be achieved.

前に述べたように、上部基材表面上の金属コーティングが必要とされるか否かに応じて、エッチングマスクの残りは、それぞれ、図8B(d)及び図8B(f)並びに図8B(h)及び図8B(j)に示すように、除去されるか、又は、保持される。図8B(e)及び図8B(i)に概略的に示すように、エッチングマスクの除去が望まれる場合、ドライエッチングプロセスかウェットエッチングプロセスのいずれかを使用して、エッチングマスクの除去を達成することができる。   As stated previously, depending on whether a metal coating on the top substrate surface is required, the remainder of the etch mask is replaced by FIGS. 8B (d) and 8B (f) and FIG. h) and removed or retained, as shown in FIG. 8B (j). As schematically shown in FIGS. 8B (e) and 8B (i), when etching mask removal is desired, either dry or wet etching processes are used to achieve etching mask removal. be able to.

倒立多面体及びアスペクト比の高い穴の規定に続いて、金属層の堆積のステップは、図8Aに関連して前に述べたステップと同じである。   Following the definition of the inverted polyhedron and the high aspect ratio hole, the steps of metal layer deposition are the same as those previously described in connection with FIG. 8A.

図1(a)〜(k)は、本発明の10個の例示的な実施形態を示す図である。(図1(a)は、その表面及び凹部上に連続する金属誘電体フィルムを示すフォトニック結晶(PC)エリアを示す。図1(c)は、SERS活性領域が、空洞(air cavity)の上部に配置される構造を示す。図1(b)及び図1(d)は、それぞれ、凹部だけが金属誘電体層でコーティングされる、図1(a)及び図1(c)に対応する構造を示す。1 (a)-(k) illustrate ten exemplary embodiments of the present invention. (FIG. 1 (a) shows a photonic crystal (PC) area showing a continuous metal dielectric film on its surface and recess. FIG. 1 (c) shows that the SERS active region is an air cavity. 1 (b) and 1 (d) correspond to FIGS. 1 (a) and 1 (c), respectively, where only the recesses are coated with a metal dielectric layer. The structure is shown. 図1(e)は、倒立角錐凹部を有するフォトニック結晶(PC)を示す本発明の別の実施形態を示し、図1(g)には切頭倒立角錐凹部が示されている。図1(f)及び図1(h)は、凹部だけが金属コーティングされた倒立角錐及び切頭倒立角錐を示す。FIG. 1 (e) shows another embodiment of the present invention showing a photonic crystal (PC) having an inverted pyramid recess, and FIG. 1 (g) shows a truncated inverted pyramid recess. FIG. 1 (f) and FIG. 1 (h) show an inverted pyramid and a truncated inverted pyramid in which only the recesses are metal-coated. 図1(i)及び図1(k)は、倒立角錐構造と角錐の頂点から基材内に延びる円柱穴を有しており、それぞれ、金属コーティングが構造全体にわたって連続している構造、及び、金属コーティングが凹部だけに存在する構造を示す。)1 (i) and 1 (k) have an inverted pyramid structure and a cylindrical hole extending into the substrate from the apex of the pyramid, each having a metal coating continuous throughout the structure, and Fig. 3 shows a structure in which the metal coating is present only in the recess. ) PC SERS領域がその内部に規定されている多層膜誘電体構造が導波路構造を形成している、本発明に開示される例示的な一実施形態を示す図である。FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment disclosed in the present invention, in which a multilayer dielectric structure having a PC SERS region defined therein forms a waveguide structure. PC SERS領域がその内部に規定されている多層膜誘電体構造が多層膜ミラー構造を形成している一実施形態を示す図である。FIG. 6 illustrates an embodiment in which a multilayer dielectric structure having a PC SERS region defined therein forms a multilayer mirror structure. 光放射を受け取るか、又は、取り出すように設計された構造の4つの例示的な実施形態を示す図である。FIG. 4 shows four exemplary embodiments of structures designed to receive or extract light radiation. 光放射を前処理するか、又は、後処理するように設計された構造の略図である。1 is a schematic representation of a structure designed to pre-process or post-process light radiation. 3つの例示的な実施形態を示す図であって、1つ又は複数の機能システムユニットがチップ上に集積化された実施形態(a)、1つ又は複数の機能システムユニットが組み合わされて2つ以上の機能が組み込まれた新しい構造が形成された実施形態(b)、及び、同一の構造のままである実施形態(c)である。FIG. 3 shows three exemplary embodiments, one embodiment in which one or more functional system units are integrated on a chip (a), two combined one or more functional system units An embodiment (b) in which a new structure incorporating the above functions is formed, and an embodiment (c) in which the same structure remains. 従来技術のシステムの2つの例を示す図である。2 shows two examples of prior art systems. FIG. SERS活性プラットフォームを作成するための、本発明によって開示される作製プロセスを示す図である。FIG. 6 illustrates a fabrication process disclosed by the present invention for creating a SERS active platform. 図8B(a)〜図8B(j)は、単結晶シリコンウェハの異方性エッチングを使用してSERS活性プラットフォームを生成する場合の、本発明によって開示される作製プロセスを示す図である。8B (a) -8B (j) illustrate the fabrication process disclosed by the present invention when producing a SERS active platform using anisotropic etching of a single crystal silicon wafer. 一方、図8B(k)は、マスクを通じてエッチングされる場合の、倒立角錐の異方性ウェットエッチング特性を示す図である。図8B(l)は、異方性ウェットエッチングと異方性の高いアノードエッチングとを組み合わせることから生じる構造を示す図である。On the other hand, FIG. 8B (k) is a diagram showing the anisotropic wet etching characteristics of an inverted pyramid when etched through a mask. FIG. 8B (l) shows a structure resulting from the combination of anisotropic wet etching and highly anisotropic anode etching. 試験下の分析物からラマン信号を得る方法を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a method for obtaining a Raman signal from an analyte under test. 試験下の分析物からラマン信号を得るシステムを示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a system for obtaining a Raman signal from an analyte under test. 分析物が、測定の間、プラットフォームを通過するように連続して流れるセットアップを示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a setup in which an analyte flows continuously through the platform during a measurement. 金属誘電体層の堆積プロセスを示す図である。FIG. 4 shows a deposition process of a metal dielectric layer. 作製されたSERS構造を示す略図である。1 is a schematic diagram showing a fabricated SERS structure. 金属コーティングされた倒立角錐PC−SERS構造の表面についての理論的な反射率シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the theoretical reflectance simulation result about the surface of the metal-coated inverted pyramid PC-SERS structure. 図14Aにおける、金属コーティングされた倒立角錐PC−SERS構造の特性及び幾何形状を示す図である。FIG. 14B shows the characteristics and geometry of the metal-coated inverted pyramid PC-SERS structure in FIG. 14A. 図15A、B、CおよびDは、表面波形の影響に関連している。図15Aは、平滑な表面を有する図14Bの構造における、TM場局在と、関連した表面プラズモン及び局在化プラズモンのシミュレーション結果を示す図である。Figures 15A, B, C and D relate to the effect of the surface waveform. FIG. 15A is a diagram showing simulation results of TM field localization and related surface plasmons and localized plasmons in the structure of FIG. 14B having a smooth surface. 平坦表面に形成された粗い波形に関連したTM場の局在を示す図である。It is a figure which shows the localization of TM field relevant to the rough waveform formed in the flat surface. 金属堆積により粗面波形を形成した倒立角錐におけるTM場局在を示す図である。It is a figure which shows TM field localization in the inverted pyramid which formed the rough surface waveform by metal deposition. 粗面波形を有する最適に設計された角錐におけるTM場局在を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing TM field localization in an optimally designed pyramid having a rough waveform. 図16A、B、およびCは、ベンゼンチオールの自己組織化単分子層が3つのタイプのPC−SERS基材のそれぞれの表面に設置された場合に、このベンゼンチオールの自己組織化単分子層から得られる実験ラマン信号の再現性を示す図である(走査型電子顕微鏡結果(SEM)を挿入して示す)。図16Aは、金属コーティングされた細孔(air rod)PC−SERS基材からの実験ラマンデータである。FIGS. 16A, B, and C show from this benzenethiol self-assembled monolayer when the benzenethiol self-assembled monolayer was placed on the surface of each of the three types of PC-SERS substrates. It is a figure which shows the reproducibility of the experimental Raman signal obtained (it shows by inserting a scanning electron microscope result (SEM)). FIG. 16A is experimental Raman data from a metal-coated air rod PC-SERS substrate. 倒立角錐PC−SERS基材からの実験SERSの結果を示している。The result of the experiment SERS from the inverted pyramid PC-SERS base material is shown. エッチングが深い(アスペクト比が高い)穴を有するPC−SERS基材からのラマン信号の再現性を示す図である。It is a figure which shows the reproducibility of the Raman signal from the PC-SERS base material which has a hole with a deep etching (a high aspect ratio). 図17A、BおよびCは、表面波形の影響に関連している。図17Aは、図16Bの倒立角錐PC−SERS構造の高分解能電界放出電子銃型SEMの顕微鏡写真であり、表面粗さを示している。Figures 17A, B and C relate to the effect of the surface waveform. FIG. 17A is a photomicrograph of the high-resolution field emission electron gun SEM of the inverted pyramid PC-SERS structure of FIG. 16B and shows the surface roughness. 粗い波形を有する平坦状の金属基板上に設けられたベンゼンチオール単分子層から得られる実験SERS信号(特性ラマン線を欠く)を示す図である(挿入されたSEMは表面粗さを示している)。It is a figure which shows the experimental SERS signal (The characteristic Raman line is lacking) obtained from the benzenethiol monolayer provided on the flat metal substrate which has a rough waveform (Inserted SEM shows surface roughness) ). 倒立角錐PC−SERS構造について測定された分散特性の2Dプロットを示す図である。It is a figure which shows the 2D plot of the dispersion | distribution characteristic measured about the inverted pyramid PC-SERS structure. 図18Aは、角錐サイズが互いに異なる複数の構造におけるプラズモン共鳴のばらつきを示す、垂直入射における実験反射率プロットである。図18Bは、角錐のサイズは異なるがピッチが固定された複数の構造におけるプラズモン共鳴のばらつきを示す、垂直入射における理論的にモデル化された反射率プロットである。図18Cは、閉じ込められた表面プラズモン(SP)状態のうちの最初の少数についてのエネルギーを、ピット深さに対してプロットしたものである。単純な理論的モデル、全有限差分時間領域(full Finite-Difference Time-Domain)(FDTD)モデリング、及び実際の実験についての結果が示されている。FIG. 18A is an experimental reflectivity plot at normal incidence showing plasmon resonance variability in structures with different pyramid sizes. FIG. 18B is a theoretically modeled reflectance plot at normal incidence showing plasmon resonance variability in structures with different pyramid sizes but fixed pitches. FIG. 18C plots the energy for the first few of the confined surface plasmon (SP) states against the pit depth. Results for a simple theoretical model, full Finite-Difference Time-Domain (FDTD) modeling, and actual experiments are shown. 図18Dは、倒立角錐構造におけるTM偏光場局在と、これに関連した表面プラズモンと局在化プラズモンとを示す図である。図18Eは、伝播する表面プラズモンが倒立角錐内に閉じ込められている、という単純なモデルに基づき予測される場の分布を示す図である。FIG. 18D is a diagram showing TM polarization field localization in an inverted pyramid structure, and surface plasmons and localized plasmons associated therewith. FIG. 18E is a diagram showing a predicted field distribution based on a simple model in which propagating surface plasmons are confined within an inverted pyramid. 図18Fは、4−アミノチオフェノールの単分子層被覆から得られるSERS信号が倒立角錐の径の関数として変動することを示す図である。FIG. 18F shows that the SERS signal obtained from a monolayer coating of 4-aminothiophenol varies as a function of the diameter of the inverted pyramid. 作製における許容度があり、且つ、波長に敏感でない金属誘電体フォトニック結晶構造であって、多くの異なる局在化プラズモン共鳴及び広い表面プラズモン共鳴を持つように設計されており、SERS入射レーザスポットサイズが多くのユニット要素を覆うことを許容することにより、より効率的な入力レーザ結合、及び、より再現性の高いSERS出力信号を動作波長にかかわらず提供する、金属誘電体フォトニック結晶構造の平面図である。A metal dielectric photonic crystal structure that is tolerant in fabrication and not wavelength sensitive, designed to have many different localized and broad surface plasmon resonances, and a SERS incident laser spot Metal dielectric photonic crystal structure that provides more efficient input laser coupling and more reproducible SERS output signal regardless of operating wavelength by allowing size to cover many unit elements It is a top view.

Claims (39)

光放射を受け取る入力領域と、
該入力領域に光学的に結合したプラズモンバンド構造領域であって、第2の材料の小領域のアレイでパターニングされた第1の材料の層を備え、該第1の材料は第1の屈折率を有し、該第2の材料は第2の屈折率を有し、それぞれの小領域の側壁は、金属層又は金属誘電体層でコーティングされ、前記小領域のアレイはプラズモンバンド構造を生じ、使用時に、それぞれの小領域は、該プラズモンバンド構造領域内に結合される光放射によって励起されたプラズモン共鳴を閉じ込め、該プラズモン共鳴は、該プラズモンバンド構造領域に近接して設置される異質物からラマン信号を生じさせる、プラズモンバンド構造領域と、
光放射を取り出すための、前記プラズモンバンド構造領域に光学的に結合した出力領域と
を備えることを特徴とする、異質物からラマン信号を発生するための平面状光プラットフォーム。
An input region for receiving light radiation;
A plasmon band structure region optically coupled to the input region, comprising a layer of a first material patterned with an array of small regions of a second material, the first material having a first refractive index Wherein the second material has a second refractive index, and the sidewalls of each subregion are coated with a metal layer or metal dielectric layer, the array of subregions resulting in a plasmon band structure, In use, each subregion confines plasmon resonances excited by light radiation coupled within the plasmon band structure region, which is from foreign material placed in close proximity to the plasmon band structure region. A plasmon band structure region that produces a Raman signal;
A planar optical platform for generating a Raman signal from a foreign material, comprising an output region optically coupled to the plasmon band structure region for extracting light radiation.
それぞれの小領域の端壁は、金属誘電体層でコーティングされていることを特徴とする請求項1に記載のプラットフォーム。   The platform of claim 1, wherein the end walls of each subregion are coated with a metal dielectric layer. 前記第1の材料の前記層のうちパターニングされない領域は、金属誘電体層でコーティングされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のプラットフォーム。   3. A platform according to claim 1 or claim 2, wherein the unpatterned region of the layer of the first material is coated with a metal dielectric layer. 前記小領域は、正方形、長方形、又は三角形の幾何形状の周期格子、準周期タイリング、アモルファスタイリング、傾斜格子(graded lattice)、2重傾斜格子(doubly-graded lattice)、2つのタイリング配列の重ね合せ、及び単一又は複数の欠陥小領域部位を有するタイリング配列を含む群から選択される予め規定されたタイリング配列の頂点に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The small region includes a square, rectangular, or triangular geometric lattice, quasi-periodic tiling, amorphous tiling, graded lattice, doubly-graded lattice, and two tiling arrays. Claim 1-Claim characterized in that it is arranged at the apex of a predefined tiling array selected from the group comprising superposition and tiling arrays having single or multiple defective subregions. 4. The platform according to any one of 3. 少なくとも1つの小領域は、5nmから約10、000nmまでの径及び1nmから10、000nmまでの円筒深さを有する円柱又は楕円柱を備えていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The at least one subregion comprises a column or elliptical cylinder having a diameter from 5 nm to about 10,000 nm and a cylindrical depth from 1 nm to 10,000 nm. The platform according to any one of the above. 少なくとも1つの小領域は、50nmから約20、000nmの範囲内のベース長を有する倒立多面体又は倒立切頭多面体を備えることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The at least one subregion comprises an inverted polyhedron or an inverted truncated polyhedron having a base length in the range of 50 nm to about 20,000 nm. platform. 少なくとも1つの小領域は、円柱表面、楕円柱表面、又は、多角形表面を有する円柱と連続した倒立多面体又は倒立切頭多面体を備え、前記円柱の最大径は、多面体ベース長より小さいことを特徴とする請求項6に記載のプラットフォーム。   The at least one small region includes an inverted polyhedron or an inverted truncated polyhedron continuous with a cylinder surface, an elliptic cylinder surface, or a cylinder having a polygonal surface, and the maximum diameter of the cylinder is smaller than the polyhedron base length. The platform according to claim 6. 前記多面体は角錐からなることを特徴とする請求項6又は請求項7のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to claim 6, wherein the polyhedron is formed of a pyramid. 前記小領域のそれぞれの横断範囲(transverse extent)は、前記アレイにわたって変わることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   9. A platform according to any one of the preceding claims, wherein the transverse extent of each of the subregions varies across the array. 前記第2の材料は空気からなることを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to claim 1, wherein the second material is made of air. 前記第1の材料は、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、ポリマ、及び半導体材料を含む群から選択されることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   11. The first material of claim 1, wherein the first material is selected from the group comprising silicon, silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, tantalum pentoxide, polymer, and semiconductor material. The platform according to item 1. 前記金属層又は前記金属誘電体層は、1nmから500nmまでの厚さを有することを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to claim 1, wherein the metal layer or the metal dielectric layer has a thickness of 1 nm to 500 nm. 前記金属層又は前記金属誘電体層は、金、白金、銀、銅、パラジウム、コバルト、鉄、及びニッケルを含む群から選択される金属を含む1つ又は複数の金属層を備えることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The metal layer or the metal dielectric layer includes one or more metal layers including a metal selected from the group including gold, platinum, silver, copper, palladium, cobalt, iron, and nickel. The platform according to any one of claims 1 to 12. 前記金属層又は前記金属誘電体層の表面は、コーティング作製法によるため粗いことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   14. The platform according to claim 1, wherein a surface of the metal layer or the metal dielectric layer is rough because of a coating manufacturing method. 前記パターニングされた層が配設される、金属誘電体又は誘電体からなる多層平面状構造をさらに備えていることを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to any one of claims 1 to 14, further comprising a multilayer planar structure made of a metal dielectric or a dielectric on which the patterned layer is disposed. 前記多層構造は、平面分布ブラッグ反射器、平面光導波路、及び1次元フォトニック結晶積層部のうちの1つを備えることを特徴とする請求項15に記載のプラットフォーム。   The platform of claim 15, wherein the multilayer structure comprises one of a planar distributed Bragg reflector, a planar optical waveguide, and a one-dimensional photonic crystal stack. 前記多層構造は、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、ポリマ、及び半導体材料を含む群から選択される材料を含むことを特徴とする請求項15又は16に記載のプラットフォーム。   17. The platform of claim 15 or 16, wherein the multilayer structure comprises a material selected from the group comprising silicon, silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, tantalum pentoxide, polymer, and semiconductor material. . 前記小領域は、前記多層構造の一部を通って延びていることを特徴とする請求項15〜17のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to any one of claims 15 to 17, wherein the small region extends through a part of the multilayer structure. 前記多層構造は、前記小領域の直下に空隙を備えていることを特徴とする請求項15〜請求項18のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to any one of claims 15 to 18, wherein the multilayer structure includes a gap immediately below the small region. 前記入力領域は、前記平面光導波路の一部分を備えていることを特徴とする請求項16〜請求項19のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   The platform according to any one of claims 16 to 19, wherein the input region includes a part of the planar optical waveguide. 前記入力領域は、前記プラズモンバンド構造領域の一部分を備え、使用時に、光放射を該プラズモンバンド構造領域内に回折的に結合することを特徴とする請求項1〜請求項19のいずれか1項に記載のプラットフォーム。   20. The input region comprises a portion of the plasmon band structure region, and in use, diffractively couples light radiation into the plasmon band structure region. Platform described in. 請求項1〜請求項21のいずれか1項に記載のプラットフォームと、該プラットフォームに入射する光放射を前処理し該前処理された放射を前記プラズモンバンド構造領域に結合するための、該プラズモンバンド構造領域に光学的に結合した処理構造、又は、前記プラズモンバンド構造領域から該後処理構造に結合される光放射を後処理するための、該プラズモンバンド構造領域に光学的に結合した処理構造とを備えることを特徴とする光デバイス。   A platform according to any one of claims 1 to 21 and the plasmon band for pre-processing light radiation incident on the platform and coupling the pre-processed radiation to the plasmon band structure region. A processing structure optically coupled to a structure region, or a processing structure optically coupled to the plasmon band structure region for post-processing light radiation coupled from the plasmon band structure region to the post-processing structure; An optical device comprising: 前記処理構造は、偏光フィルタリング、スペクトルフィルタリング、光学時間遅延、超回折(super-diffraction)、ビーム方向制御、及びビームコリメーションを含む群から選択された1つ又は複数の機能を実施することを特徴とする請求項22に記載の光デバイス。   The processing structure performs one or more functions selected from the group including polarization filtering, spectral filtering, optical time delay, super-diffraction, beam direction control, and beam collimation. The optical device according to claim 22. 前記処理構造は、テーパカプラ、エバネッセントカプラ、速度テーパカプラ、グレーティング構造、1次元フォトニック結晶、周期的2次元フォトニック結晶、及び2次元フォトニック準結晶を含む群から選択されることを特徴とする請求項22に記載の光デバイス。   The processing structure is selected from the group comprising a taper coupler, an evanescent coupler, a velocity taper coupler, a grating structure, a one-dimensional photonic crystal, a periodic two-dimensional photonic crystal, and a two-dimensional photonic quasicrystal. Item 23. The optical device according to Item 22. 前記処理構造は、前記プラズモンバンド構造領域と一体に形成されていることを特徴とする請求項22〜請求項24のいずれか1項に記載の光デバイス。   25. The optical device according to claim 22, wherein the processing structure is formed integrally with the plasmon band structure region. 光源と、
該光源に光学的に結合される、請求項1〜21のいずれか1項に記載の光プラットフォーム、又は、請求項22〜25のいずれか1項に記載の光デバイスと、
該光プラットフォーム又は該光デバイスに光学的に結合され、前記光源からの放射が結合される前記プラズモンバンド構造領域に近接して前記異質物が設置されるときに発生されるラマン信号を検出するための光検出器と
を備えることを特徴とする、異質物に関してラマン分光法を実施する光システム。
A light source;
26. The optical platform of any one of claims 1-21, or the optical device of any one of claims 22-25, optically coupled to the light source;
To detect a Raman signal generated when the foreign object is placed in proximity to the plasmon band structure region optically coupled to the optical platform or the optical device and to which radiation from the light source is coupled An optical system for performing Raman spectroscopy on a foreign object.
請求項1〜請求項21のいずれか1項に記載の光プラットフォーム、又は、請求項22〜請求項25のいずれか1項に記載の光デバイスの光プラットフォームの前記プラズモンバンド構造領域に近接してサンプル異質物を配置するステップと、
表面プラズモンの励起のために最適化された光放射を発生する光源を作動させるステップであって、前記放射用の最適化されたパラメータは、波長、方位角及び偏光角、並びに偏光状態を含む群から選択されるステップと、
前記光放射を前記プラズモンバンド構造領域内に結合させるステップと、
前記光プラットフォームから出るラマン信号のスペクトルを検出するステップと
を含むことを特徴とする、サンプル異質物からラマンスペクトル又は表面増強ラマンスペクトルを得る方法。
The optical platform according to any one of claims 1 to 21 or the optical platform of the optical device according to any one of claims 22 to 25 in proximity to the plasmon band structure region. Placing sample foreign matter;
Activating a light source that generates light radiation optimized for excitation of surface plasmons, wherein the optimized parameters for radiation include a group comprising wavelength, azimuth and polarization angle, and polarization state A step selected from
Coupling the light radiation into the plasmon band structure region;
Detecting a spectrum of a Raman signal emanating from the optical platform, and obtaining a Raman spectrum or a surface enhanced Raman spectrum from a sample foreign material.
前記異質物を配置するステップは、前記プラズモンバンド構造領域付近の流体内に前記異質物を流すことを含むことを特徴とする請求項28に記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein the step of disposing the foreign material includes flowing the foreign material into a fluid near the plasmon band structure region. 前記異質物は、化学兵器、農薬、尿素、乳酸、汚染物質、アスコルビン酸塩、グルコースを含む生化学群から選択される分析物の分子、又は、細菌及びウィルスのDNA、RNA、PNA等の核酸、蛋白質、脂質、並びに、がん細胞等の生体細胞を含む群から選択される生体分子を含むことを特徴とする請求項27又は請求項28に記載の方法。   The foreign substance is an analyte molecule selected from a biochemical group including chemical weapons, agricultural chemicals, urea, lactic acid, contaminants, ascorbate, glucose, or nucleic acids such as bacterial and viral DNA, RNA, PNA, etc. 29. A method according to claim 27 or claim 28 comprising protein, lipid, and a biomolecule selected from the group comprising biological cells such as cancer cells. 前記異質物は、前記プラズモンバンド構造領域内の前記小領域のうちの1つの小領域の50nm以内に配置されることを特徴とする請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the extraneous matter is disposed within 50 nm of one of the subregions within the plasmon band structure region. 前記第1の材料の前記層及び任意の下地となる多層構造をエピタキシャル成長させるステップと、
前記第1の材料の前記層上にパターンを規定するステップと、
前記エピタキシャル構造の一部分を異方性エッチングでエッチングするステップと、
金属層又は金属誘電体層を堆積させるステップと
を含むことを特徴とする、請求項1〜請求項21のいずれか1項に記載の光プラットフォームを作製する方法。
Epitaxially growing the layer of the first material and an optional underlying multilayer structure;
Defining a pattern on the layer of the first material;
Etching a portion of the epitaxial structure with anisotropic etching;
22. A method of making an optical platform according to any one of claims 1-21, comprising depositing a metal layer or a metal dielectric layer.
前記パターン規定ステップは、フォトリソグラフィ、深UVリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、干渉リソグラフィ、インプリントプロセス、又はスタンピングプロセスを含む技法の群から選択されることを特徴とする請求項31に記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the pattern defining step is selected from the group of techniques including photolithography, deep UV lithography, electron beam lithography, interference lithography, imprint process, or stamping process. 前記エッチングステップは、反応性イオンエッチング(RIE)、電子サイクロトロン共鳴型反応性イオンエッチング(ECR−RIE)、反応性ガス支援イオンビームエッチング(CAIBE)、及び誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング(ICP−RIE)を含む群から選択される技法を使用して実施される異方性の高いプラズマエッチングを含むことを特徴とする請求項31又は請求項32に記載の方法。   The etching steps include reactive ion etching (RIE), electron cyclotron resonance reactive ion etching (ECR-RIE), reactive gas assisted ion beam etching (CAIBE), and inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-). 33. A method according to claim 31 or claim 32, comprising a highly anisotropic plasma etch performed using a technique selected from the group comprising (RIE). 前記エッチングステップは、異方性の高いアノードエッチングを含むことを特徴とする請求項31又は請求項32に記載の方法。   33. A method according to claim 31 or claim 32, wherein the etching step comprises highly anisotropic anodic etching. 前記エッチングステップは、異方性が高く、イオンビームミリングを含む、請求項31又は請求項32に記載の方法。   33. A method according to claim 31 or claim 32, wherein the etching step is highly anisotropic and includes ion beam milling. 前記異方性エッチングは、EDP(エチレンジアミン ピロカテコール(ethylenediamine pyrocatechal))、CsOhH、NaOH、N−H0(ヒドラジン)、及びKOHを含む群から選択される化学物質を使用するウェットエッチングプロセスであることを特徴とする請求項31又は請求項32に記載の方法。 The anisotropic etching is wet etching using a chemical selected from the group comprising EDP (ethylenediamine pyrocatechal), CsOhH, NaOH, N 2 H 4 —H 20 (hydrazine), and KOH. 33. A method according to claim 31 or claim 32, wherein the method is a process. 前記第1の材料は、単結晶シリコンであり、前記異方性エッチングは、シリコンの{111}結晶面が、倒立多面体の全ての面に沿って完全に露出するときに終了することを特徴とする請求項36に記載の方法。   The first material is single crystal silicon, and the anisotropic etching is terminated when the {111} crystal plane of silicon is completely exposed along all the faces of the inverted polyhedron. The method of claim 36. 請求項36又は請求項37による、付加的なエッチングステップをさらに含むことを特徴とする請求項31〜請求項35のいずれか1項に記載の方法。   36. A method according to any one of claims 31 to 35, further comprising an additional etching step according to claim 36 or claim 37. 前記金属堆積ステップは、物理気相成長(PVD)、蒸着、化学気相成長(CVD)、及び原子層成長(ALD)を含む群から選択される技法を使用して実施される、請求項31〜請求項38のいずれか1項に記載の方法。
32. The metal deposition step is performed using a technique selected from the group comprising physical vapor deposition (PVD), vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), and atomic layer deposition (ALD). The method according to any one of claims 38 to 38.
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Cited By (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010044155A (en) * 2008-08-11 2010-02-25 Sony Corp Method for designing plasmonic crystal
WO2010035568A1 (en) * 2008-09-25 2010-04-01 日本電気株式会社 Optical lens and optical variable device
JP2010526316A (en) * 2007-05-08 2010-07-29 ジーイー・ヘルスケア・バイオ−サイエンシズ・アーベー Methods and systems for detecting biological and chemical substances on submicron structured substrates
JP2011232186A (en) * 2010-04-28 2011-11-17 Seiko Epson Corp Optical device, analyzer and spectroscopy method
JP2011237376A (en) * 2010-05-13 2011-11-24 Seiko Epson Corp Optical device and analyzer
WO2012035717A1 (en) * 2010-09-17 2012-03-22 富士フイルム株式会社 Light measurement method and measurement device using optical-electric field enhancement device
WO2012035716A1 (en) * 2010-09-17 2012-03-22 富士フイルム株式会社 Optical-electric-field enhancement device
JP2012511705A (en) * 2008-12-09 2012-05-24 アイメック Method for forming nanostructures through layers
US8372476B2 (en) 2007-05-02 2013-02-12 Sony Corporation Method of plasmonic crystal
WO2014025030A1 (en) * 2012-08-10 2014-02-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface-enhanced raman scattering element
WO2014025027A1 (en) * 2012-08-10 2014-02-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface-enhanced raman scattering element
WO2014025029A1 (en) * 2012-08-10 2014-02-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface-enhanced raman scattering element
JP2014134553A (en) * 2014-04-21 2014-07-24 Seiko Epson Corp Analyser
WO2014168041A1 (en) * 2013-04-12 2014-10-16 日本精工株式会社 Target substance capturing device
JP2014530369A (en) * 2011-10-18 2014-11-17 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー.Hewlett‐Packard Development Company, L.P. Molecular detection device
JP2015505610A (en) * 2012-01-19 2015-02-23 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー.Hewlett‐Packard Development Company, L.P. Molecular detector
US9267894B2 (en) 2012-08-10 2016-02-23 Hamamatsu Photonics K.K. Method for making surface enhanced Raman scattering device
US9588049B2 (en) 2012-08-10 2017-03-07 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering unit, and method for using same
US9612201B2 (en) 2012-08-10 2017-04-04 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element
JP2017072604A (en) * 2016-12-02 2017-04-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface Enhanced Raman Scattering Unit
US9726608B2 (en) 2012-08-10 2017-08-08 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element
JP2017173084A (en) * 2016-03-23 2017-09-28 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Surface enhanced raman scattering analysis substrate, and manufacturing method and method of application of the same
US9846123B2 (en) 2012-08-10 2017-12-19 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element
US9851305B2 (en) 2013-03-29 2017-12-26 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering unit and Raman spectroscopic analysis method
US9863883B2 (en) 2012-08-10 2018-01-09 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element
US9863884B2 (en) 2012-08-10 2018-01-09 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element, and method for producing same
JP2018004643A (en) * 2016-07-01 2018-01-11 ツィンファ ユニバーシティ Carrier and device for single molecule detection
JP2018004644A (en) * 2016-07-01 2018-01-11 ツィンファ ユニバーシティ Method of detecting single molecules
US9952158B2 (en) 2013-03-29 2018-04-24 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit and raman spectroscopic analysis method
US9964492B2 (en) 2013-03-29 2018-05-08 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit and raman spectroscopic analysis method
US10132755B2 (en) 2012-08-10 2018-11-20 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element, and method for manufacturing surface-enhanced Raman scattering element
JP2019508038A (en) * 2016-02-23 2019-03-28 オックスフォード ユニヴァーシティ イノヴェーション リミテッド Cell sorting
US10408761B2 (en) 2012-08-10 2019-09-10 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element
US10551322B2 (en) 2012-08-10 2020-02-04 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering unit including integrally formed handling board
CN110753838A (en) * 2017-05-10 2020-02-04 苏黎世联邦理工学院 Method, use and apparatus for surface enhanced Raman spectroscopy
JP2020163188A (en) * 2016-12-26 2020-10-08 三菱電機株式会社 Biomaterial measuring device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107219198B (en) * 2017-06-30 2023-03-07 深圳大学 Refractive index sensor, preparation method thereof and refractive index detection device

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0961346A (en) * 1995-08-25 1997-03-07 Nec Corp Plane light waveguide path type biochemical sensor
JP2000321280A (en) * 1999-05-11 2000-11-24 Suzuki Motor Corp Immunoreaction measuring apparatus
JP2002162346A (en) * 2000-11-22 2002-06-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Light waveguide type spr phenomenon measuring apparatus
JP2003503732A (en) * 1999-07-05 2003-01-28 ノバルティス アクチエンゲゼルシャフト Sensor platform, instrument incorporating the platform, and method of using the platform
JP2003075333A (en) * 2001-08-31 2003-03-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Surface plasmon resonance sensor device
JP2003279479A (en) * 2002-01-16 2003-10-02 Toshiba Corp Optical waveguide type glucose sensor and optical waveguide type glucose measurement method
WO2004008120A1 (en) * 2002-07-10 2004-01-22 E2V Technologies (Uk) Limited Molecular detector arrangement
JP2004505294A (en) * 2000-07-21 2004-02-19 マイクロ マネージド フォトンズ アクティーゼルスカブ Surface plasmon polariton band gap structure
JP2007538264A (en) * 2004-05-19 2007-12-27 ブィピー ホールディング、エルエルシー Optical sensor with layered plasmon structure for enhanced detection of chemical groups by SERS
JP2008516257A (en) * 2004-10-13 2008-05-15 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. In situ excitation for surface-enhanced Raman spectroscopy

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0961346A (en) * 1995-08-25 1997-03-07 Nec Corp Plane light waveguide path type biochemical sensor
JP2000321280A (en) * 1999-05-11 2000-11-24 Suzuki Motor Corp Immunoreaction measuring apparatus
JP2003503732A (en) * 1999-07-05 2003-01-28 ノバルティス アクチエンゲゼルシャフト Sensor platform, instrument incorporating the platform, and method of using the platform
JP2004505294A (en) * 2000-07-21 2004-02-19 マイクロ マネージド フォトンズ アクティーゼルスカブ Surface plasmon polariton band gap structure
JP2002162346A (en) * 2000-11-22 2002-06-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Light waveguide type spr phenomenon measuring apparatus
JP2003075333A (en) * 2001-08-31 2003-03-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Surface plasmon resonance sensor device
JP2003279479A (en) * 2002-01-16 2003-10-02 Toshiba Corp Optical waveguide type glucose sensor and optical waveguide type glucose measurement method
WO2004008120A1 (en) * 2002-07-10 2004-01-22 E2V Technologies (Uk) Limited Molecular detector arrangement
JP2007538264A (en) * 2004-05-19 2007-12-27 ブィピー ホールディング、エルエルシー Optical sensor with layered plasmon structure for enhanced detection of chemical groups by SERS
JP2008516257A (en) * 2004-10-13 2008-05-15 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. In situ excitation for surface-enhanced Raman spectroscopy

Cited By (59)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8372476B2 (en) 2007-05-02 2013-02-12 Sony Corporation Method of plasmonic crystal
JP2010526316A (en) * 2007-05-08 2010-07-29 ジーイー・ヘルスケア・バイオ−サイエンシズ・アーベー Methods and systems for detecting biological and chemical substances on submicron structured substrates
JP2010044155A (en) * 2008-08-11 2010-02-25 Sony Corp Method for designing plasmonic crystal
WO2010035568A1 (en) * 2008-09-25 2010-04-01 日本電気株式会社 Optical lens and optical variable device
JP2012511705A (en) * 2008-12-09 2012-05-24 アイメック Method for forming nanostructures through layers
JP2011232186A (en) * 2010-04-28 2011-11-17 Seiko Epson Corp Optical device, analyzer and spectroscopy method
US8848182B2 (en) 2010-04-28 2014-09-30 Seiko Epson Corporation Optical device, analyzing apparatus and spectroscopic method
TWI567375B (en) * 2010-04-28 2017-01-21 精工愛普生股份有限公司 Optical device, analyzing apparatus and spectroscopic method
JP2011237376A (en) * 2010-05-13 2011-11-24 Seiko Epson Corp Optical device and analyzer
JP2012063294A (en) * 2010-09-17 2012-03-29 Fujifilm Corp Light measuring method and light measuring apparatus using optical electric-field enhancement device
JP2012063293A (en) * 2010-09-17 2012-03-29 Fujifilm Corp Optical electric-field enhancement device
CN103109179A (en) * 2010-09-17 2013-05-15 富士胶片株式会社 Optical-electric-field enhancement device
WO2012035716A1 (en) * 2010-09-17 2012-03-22 富士フイルム株式会社 Optical-electric-field enhancement device
WO2012035717A1 (en) * 2010-09-17 2012-03-22 富士フイルム株式会社 Light measurement method and measurement device using optical-electric field enhancement device
US9140652B2 (en) 2010-09-17 2015-09-22 Fujifilm Corporation Light measurement method and measurement apparatus using an optical field enhancement device
US8803105B2 (en) 2010-09-17 2014-08-12 Fujifilm Corporation Optical field enhancement device
JP2014530369A (en) * 2011-10-18 2014-11-17 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー.Hewlett‐Packard Development Company, L.P. Molecular detection device
JP2015505610A (en) * 2012-01-19 2015-02-23 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー.Hewlett‐Packard Development Company, L.P. Molecular detector
US9588049B2 (en) 2012-08-10 2017-03-07 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering unit, and method for using same
US9863884B2 (en) 2012-08-10 2018-01-09 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element, and method for producing same
JP2014037974A (en) * 2012-08-10 2014-02-27 Hamamatsu Photonics Kk Surface enhanced raman scattering unit
US10551322B2 (en) 2012-08-10 2020-02-04 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering unit including integrally formed handling board
JP2014037970A (en) * 2012-08-10 2014-02-27 Hamamatsu Photonics Kk Surface enhanced raman scattering unit
JP2014037971A (en) * 2012-08-10 2014-02-27 Hamamatsu Photonics Kk Surface enhanced raman scattering unit
WO2014025029A1 (en) * 2012-08-10 2014-02-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface-enhanced raman scattering element
US9267894B2 (en) 2012-08-10 2016-02-23 Hamamatsu Photonics K.K. Method for making surface enhanced Raman scattering device
US10408761B2 (en) 2012-08-10 2019-09-10 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element
WO2014025027A1 (en) * 2012-08-10 2014-02-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface-enhanced raman scattering element
WO2014025030A1 (en) * 2012-08-10 2014-02-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface-enhanced raman scattering element
US9612201B2 (en) 2012-08-10 2017-04-04 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element
US10184895B2 (en) 2012-08-10 2019-01-22 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit, and method for using same
US9658166B2 (en) 2012-08-10 2017-05-23 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit, and method for using same
US9696202B2 (en) 2012-08-10 2017-07-04 Hamamatsu Photonics K.K. Method for making surface enhanced Raman scattering device
US9726608B2 (en) 2012-08-10 2017-08-08 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element
US10132755B2 (en) 2012-08-10 2018-11-20 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element, and method for manufacturing surface-enhanced Raman scattering element
US9846123B2 (en) 2012-08-10 2017-12-19 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element
US9976961B2 (en) 2012-08-10 2018-05-22 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element including a conductor layer having a base part and a plurality of protusions
US9857306B2 (en) 2012-08-10 2018-01-02 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element
US9863883B2 (en) 2012-08-10 2018-01-09 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering element
US9874523B2 (en) 2012-08-10 2018-01-23 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering element including a conductor layer having a base part and a plurality of protusions
US9964492B2 (en) 2013-03-29 2018-05-08 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit and raman spectroscopic analysis method
US10281404B2 (en) 2013-03-29 2019-05-07 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit and raman spectroscopic analysis method
US9851305B2 (en) 2013-03-29 2017-12-26 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced Raman scattering unit and Raman spectroscopic analysis method
US9952158B2 (en) 2013-03-29 2018-04-24 Hamamatsu Photonics K.K. Surface-enhanced raman scattering unit and raman spectroscopic analysis method
WO2014168041A1 (en) * 2013-04-12 2014-10-16 日本精工株式会社 Target substance capturing device
JP5900615B2 (en) * 2013-04-12 2016-04-06 日本精工株式会社 Target substance capture device
US10379111B2 (en) 2013-04-12 2019-08-13 Nsk Ltd. Target substance capturing device
JP2014134553A (en) * 2014-04-21 2014-07-24 Seiko Epson Corp Analyser
JP2019508038A (en) * 2016-02-23 2019-03-28 オックスフォード ユニヴァーシティ イノヴェーション リミテッド Cell sorting
JP2017173084A (en) * 2016-03-23 2017-09-28 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Surface enhanced raman scattering analysis substrate, and manufacturing method and method of application of the same
JP2018004644A (en) * 2016-07-01 2018-01-11 ツィンファ ユニバーシティ Method of detecting single molecules
JP2018004643A (en) * 2016-07-01 2018-01-11 ツィンファ ユニバーシティ Carrier and device for single molecule detection
JP2017072604A (en) * 2016-12-02 2017-04-13 浜松ホトニクス株式会社 Surface Enhanced Raman Scattering Unit
JP2020163188A (en) * 2016-12-26 2020-10-08 三菱電機株式会社 Biomaterial measuring device
JP7004770B2 (en) 2016-12-26 2022-01-21 三菱電機株式会社 Biomaterial measuring device
US11234648B2 (en) 2016-12-26 2022-02-01 Mitsubishi Electric Corporation Biological material measuring apparatus
CN110753838A (en) * 2017-05-10 2020-02-04 苏黎世联邦理工学院 Method, use and apparatus for surface enhanced Raman spectroscopy
JP2020519874A (en) * 2017-05-10 2020-07-02 エーテーハー チューリヒ Method for utilizing surface-sensitized Raman spectroscopy, intended use, and apparatus therefor
CN110753838B (en) * 2017-05-10 2022-10-28 苏黎世联邦理工学院 Method, use and apparatus for surface enhanced Raman spectroscopy

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