JP2011201769A - 表面増強ラマン散乱の研究用の基板 - Google Patents

Abstract

【課題】表面増強ラマン散乱の研究用の基板を提供する。
【解決手段】基板は、銀、金、白金、銅及び／又はそれらの合金から成る群から選択された金属により被覆されている、ウィスカーを含む半導体表面を含んでおり、半導体はガリウム含有窒化物であり、本質的に各ウィスカーは内部に線状欠陥を含んでいる。ウィスカーは、半導体表面から離れた末端を介して互いに接続されて、円錐状の束を形成している。被覆金属の膜厚は５０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、好ましくは７０ｎｍ〜８０ｎｍである。
【選択図】図１

Description

本発明の対象は、表面増強ラマン散乱(surface enhanced Raman scattering：ＳＥＲＳ)の研究用の基板であり、金、銀、白金、銅及び／又はそれらの合金から選択された金属によって被覆されているガリウム含有窒化物の表面を含んでいる。

表面増強ラマン分光法は、ナノメートル単位の粗さ特性（１０−１００ｎｍ）を有する特定の金属（例えば、Ａｇ、Ａｕ又はＣｕ）表面に吸着された分子によって非弾性的に散乱された紫外、可視及び近赤外スペクトル領域の光の強度を測定するための分光技術である（例えば、非特許文献１〜４）。その分光法は、金属表面上に吸着された分子の有効ラマン散乱断面積(effective Raman scattering cross section)を、非吸着分子の有効ラマン散乱断面積に比べて桁違い（１０^２〜１０^６、特定のシステムではさらに１０^８〜１０^１５）に増強することができるので、ここ数十年で最も著しい発達をとげた分光技術の１つである（例えば、非特許文献５〜９）。

ＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）分光法の応用分野は、電気化学的研究、高分子化学、生物活性化合物、及び生物学的プロセスでの重要な応用を伴った広範囲に及んでいる。しかしながら、現在のところ、ＳＥＲＳ法は、主に生物医学及び遺伝学で多くの注目を集めている（例えば、非特許文献１０）。

ＳＥＲＳシグナルの増強は、有効なラマン散乱断面積、励起放射の波長、分子の化学的起源を含むいくつかの因子に依存し、そして主に、分子が吸着される金属表面の種類と表面粗さの程度とに依存している。これらの粗さ特性(roughness features)、すなわち言い換えれば非平坦性(unevenness)は、有力なＳＥＲＳメカニズムである増強(enhancement)の電磁気的メカニズムに関与している（例えば、非特許文献１１）。電磁気的メカニズムにおいて、入射電磁放射及び散乱電磁放射の両方の強度は、金属内部よりも金属表面上で高く、それは以下の関係で記載できる、と仮定する。

ＩＲ~_(Ｅ_Ｒ（ｒ，ω_Ｓ))^２

ここで、Ｅ_Ｒ（ｒ，ω_Ｓ)は、吸着分子に関係する電磁場強度の合計(total intensity of the field)である。
金属表面に吸着された分子に関連する電磁場強度の合計であるＥ_Ｒ（ｒ，ω_Ｓ)は、粗さ特性のない場合に、双極子である吸着質に作用する電磁場強度Ｅ_ｄｉｐ（ｒ，ω_Ｓ)と、各粗さ特性により生成された電磁場Ｅ_ＳＣ（ｒ，ω_Ｓ)と、の和を意味している（例えば、非特許文献１２）。通常のラマン効果では、双極子−レーザ放射の間の相互作用エネルギーが低いので、Ｅ_ｄｉｐ（ｒ，ω_Ｓ)は比較的低い値であると推測される。ＳＥＲＳでは、粗さ特性が、（Ｅ_Ｒの著しい増加を引き起こす金属表面上に吸着された分子に直接作用する）極めて高い追加の電磁場Ｅ_ＳＣ（ω_ＳＣ)の供給源である。

グランド(grounds)又はプラットフォーム(platforms)とも呼ばれている様々な基板、例えば、
・特定の酸化−還元サイクル（ＯＲＣ）で製造した適切な多孔質の表面
・マイクロリソグラフィー技術、様々な表面又はポリスチレン球への金属スパッタリング、ガラス、シリコン又はＩＴＯ基板上への金又は銀の金属ナノ粒子の体積により製造した表面
・酸を用いた化学エッチング又は金属塩（コロイドの形態）の化学的還元により製造した表面
を含む、様々な基板を用いることができるにもかかわらず、強いスペクトル増強を生じる表面と、表面の各ポイントでのその再現性とを達成する、という問題が残っている。ＳＥＲＳ測定用の表面を達成するのに、そして特に、生物医学の研究及びバイオセンサーのデザインへの技術の応用を検討するときに、それらは極めて重要な特性である（例えば、非特許文献１３〜１４）。

得られるべき結果に再現性があり(reproducible)、想像可能で(conceivable)、そしてそれが真実(true)であるためには、ＳＥＲＳは、測定条件を完全に制御しなければならない技術である。これは、とりわけ、再現性があり安定で且つ敏感なＳＥＲＳ測定用の基板を製造する方法によって、確実にされるだろう。

膨大な数の文献報告と特許出願があるにもかかわらず、現在のところ、所定の表面モフォロジーに対してＳＥＲＳスペクトルの再現性を保証している方法はない。ＳＥＲＳ測定用としてナノ粒子ベースの表面(nanoparticle-based surfaces)は、よく知られている。また、ナノワイヤ（窒化ガリウムに基づくものを含む）も使用されている。本技術分野においてきわめて重要な特許出願の例をここに示す。

特許文献１「表面増強ラマン散乱用のナノ構造基板」の内容は、サイズが４０ｎｍ〜１２０ｎｍの銀又は金のナノ粒子で被覆されたシリコン、酸化アルミニウム又は二酸化チタンの表面である。典型的な基板の１つに吸着された大腸菌に対して、２×１０^４の増強因子が得られている。しかしながら、製造された基板の再現性の側面については、研究されていない。

特許文献２「ＳＥＲＳ用の基板表面を製造するシステム及び方法並びにそれを用いた装置」の内容は、ＳＥＲＳ技術で生体分子を検出するための基板であり、その基板は、ＰＶＣ（物理蒸着、すなわち気相からの物理的析出）法によって、ガラス、液晶又はポリマーの表面上に、制御し且つ厳しく規定して蒸着した金又は銀の膜を含む。著者は、典型的な表面の１つに吸着された枯草菌タイプの胞子に対して、１０^１０オーダーの増強因子を報告しているが、１つ及びいくつかの異なる表面上でのスペクトルの再現性の側面については議論されていない。

特許文献３「表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）システムとそれを用いた方法」の内容は、ウイルス、バクテリア及び他の生物系を検出するためのＳＥＲＳ用基板であり、上述のＰＶＤ法で製造されてガラス又はシリコンの表面上に置かれた銀、ニッケル又はシリコンのナノワイヤを含んでいる。発明者は、表面と得られるＳＥＲＳスペクトルの強度に関して、ナノワイヤの長さと直径と方向との関係を主に分析しているものの、増強因子を特定せず、それと同時に１つの基板においてスペクトルは再現性があることを確実にしていない。

特許文献４「高効率の表面増強ラマン散乱及び蛍光ナノ構造基板」の内容は、例えば、ナノワイヤが付着した半導体表面から構成されているＳＥＲＳ測定用の基板であり、ナノワイヤは、ＶＬＳ法（析出の蒸気−液体−固体メカニズム）により得られた長さ２０ｎｍ〜１００ｎｍ、直径４０ｎｍのコア（例えば、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＩｎＳｂまたはＳｉＣ）と、厚さ３ｎｍ〜２０ｎｍの銀又は金のシェルとを含む。発明者は、ローダミン６Ｇに対する増強因子が、市販されているMesophotonics社のＳＥＲＳ測定用基板で得られるよりも３５倍高いことを示している。

特許文献５「能動型センサ表面及びその製造方法」の内容は、長さ０．１μｍ〜１００μｍ、直径５ｎｍ〜４００ｎｍのナノワイヤ又はナノチューブから構成され、その上にサイズが０．５ｎｍ〜１００ｎｍの銀ナノ粒子が析出されたＳＥＲＳ用基板である。発明者は、具体例を挙げずに、ＳＥＲＳの研究において基板を利用できる可能性だけを示している。

ＳＥＲＳ活性基板(SERS-active substrate)として、金で被覆されたＧａＮの適用可能性に関する最初の情報は、表面増強ラマン散乱の能動表面を形成するためのテンプレートとして多孔質ＧａＮの論文(a paper Porous GaN)に存在している（例えば、非特許文献１５）。ＧａＮ表面を、白金アシストフォトエッチング(platinum-assisted photo-etching)により「深さ方向(in depth)」に発達(developed)させて、多孔質構造（ＰＧａＮ）が得られる。ＧａＮ表面をエッチングする前に、試料は、１ｍｍ離間した直径０．５ｍｍの円の規則的なパターンを形成するマスクを通して、１０ｎｍの白金膜で被覆される。エッチングは、ＵＶ照射を照射して、Ｈ_２Ｏ_２、ＨＦ、及びＣＨ_３ＯＨを１：２：２の体積比で含む溶液中で行われた。９０分のエッチングの後に、深さ２〜３μｍで直径８０〜１００ｎｍの（複数の）孔が得られた。このように調製されたＧａＮ表面は、厚さ１０ｎｍ〜１００ｎｍの金及び銀の膜で被覆された。２つの析出方法、すなわち、溶液からの無電解析出と真空蒸着とが用いられた。著者らが決定した表面の増強因子（ＥＦ）は２×１０^４である。

米国特許出願公開第２００８／００９６００５号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２７５５４１号明細書 米国特許第７５８３３７９号明細書 国際公開第２００９／０３５４７９号 国際公開第２００８／０９４０８９号

M. Moskovits, Rev. Mod. Phys., 57 (1985) 783 K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) 2444 K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667 S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102 K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) 2444 K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667 S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102 M. Herne, A. M. Ahern, R. L. Garrell, J. Am. Chem. Soc., 113 (1991) 846 J. Thornton, R. K. Force, Appl. Spectrosc., 45 (1991) 1522 S. Lee, H. Chon, M. Lee, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2260-2263 P. Kambhampati, C. M. Child, M. C. Foster, A. Campion, J. Chem. Phys., 108 (1998) 5013 R. L. Garell, Anal. Chem., 61 (1989) 401A Liu, G. L., Lu, Y., Kim, J., Doll, J. C., and Lee, L. P. Adv. Mater. 2005 17 2683;Domke, K. F., Zhang, D., and Pettinger, B. J. Am. Chem. Soc. 2007 129 6708 Gunawidjaja, R., Peleshanko, S., Ko, H., and Tsukruk, V. V. Adv. Mater. 2008 20 1544 T. L. Wiliamson, X. Guo, A. Zukoski, A. Sood, Diego J. Diaz, and P. W. Bohn, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 20186-20191

今までのところ、ガリウム含有窒化物の表面に基づくＳＥＲＳ用基板であって、その表面を、内部に線状欠陥を含むガリウム含有窒化物のウィスカー(whiskers)が形成され、場合によっては束(bunches)にされ、次いで適切な金属膜で被覆されるように発達させたものは知られていない。この問題(issue)が、出願人のさらなる研究対象である。

本発明の発明者は、適切な金属膜（すなわち、適切な厚さを有する金、銀、白金、銅及び／又はそれらの合金の膜）で被覆されたそのようなガリウム含有窒化物の表面は、その上に吸着された分子に対して、再現性のある強いラマン信号の増強（１０^６オーダーの増強因子ＥＦ）を与えることに気付いた。増強因子は、上述のウィスカーが束に集められた(grouped)ときに、特に高い。

本発明によれば、表面増強ラマン散乱用の基板は、銀、金、白金、銅及び／又はそれらの合金から成る群から選択された金属により被覆された、上述のウィスカーを含む半導体表面を含んでおり、前記半導体はガリウム含有窒化物であり、本質的に、各ウィスカーは内部に線状欠陥を含んでいることを特徴とする。

前記ウィスカーは、前記半導体表面から離れた末端を介して互いに接続されて、円錐状の束を形成するのが好ましい。

結晶欠陥は転位領域又は反転領域であるのが好ましい。

本発明によれば、前記半導体表面上における前記金属の膜厚は５０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、好ましくは７０ｎｍ〜８０ｎｍである。

好ましい実施形態では、前記ウィスカーの長さは０．２μｍ〜２．０μｍであり、より好ましくは０．５μｍ〜１．５μｍである。また、前記ウィスカーの直径は４０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、より好ましくは５０ｎｍ〜７０ｎｍである。そして、前記ウィスカーの直径に対する長さの比は５〜５０であり、より好ましくは１０〜３０である。

そして、前記半導体表面上での前記ウィスカーの表面密度は１０^８／ｃｍ^２〜１０^１０／ｃｍ^２である。

本発明によれば、前記金属は金であるのが好ましく、前記ガリウム含有窒化物は窒化ガリウムＧａＮであるのが好ましい。

好ましい実施形態では、前記窒化ガリウムの前記半導体表面は、ミラー指数（０００１）の結晶面、すなわち、Ｇａ極性(Ga polarity)のＣ面と類似(similar)している。

別の好ましい実施形態では、前記窒化ガリウムの前記半導体表面は、ミラー指数（０００−１）の結晶面、すなわち、Ｎ極性(N polarity)のＣ面と類似している。

本発明の基板によれば、その表面に吸着された分子に対する増強因子ＦＥは１０^４より高く、好ましくは１０^６より高い。

同じ本発明の基板の異なる点で記録されたラマンスペクトルの再現性が８０％以上であるのが好ましい。同様に、異なる本発明の基板上で記録されたラマンスペクトルの再現性が７５％以上であるのが好ましい。

本発明の基板は、１０^６の増強因子（すなわち、市販されているＳＥＲＳ用基板で見積もられるよりも２桁高い増強因子）によって特徴付けられる。さらに、本発明の基板は、１つの基板（少なくとも８０％）と、いくつかの基板（少なくとも７５％）との両方で、記録されたスペクトルの非常に良好な再現性を特徴とする。

＜定義と主要なパラメータの計算方法＞
「ガリウム含有窒化物」
「ガリウム含有窒化物」は、一般式Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）の化合物である。ガリウム含有窒化物の概念は、混合した窒化アルミニウムガリウムインジウム（具体的にはＡｌＧａＩｎＮ）、混合した窒化ガリウムインジウム（具体的にはＧａＩｎＮ）、及び化学量論の窒化ガリウムＧａＮに及ぶ。

「増強因子ＥＦ」は、表面に吸着された分子と溶液中の分子とが寄与する積分強度（最大強度）の比を規定し、以下の式で定義される。

ＥＦ＝（Ｉ_ＳＥＲＳ／Ｉ_{Ｒａｍａｎ}）／（Ｎ_ＳＥＲＳ／Ｎ_{Ｒａｍａｎ}）

ここで、
Ｉ_ＳＥＲＳは、表面に吸着された分子のＳＥＲＳスペクトルの測定された積分バンド強度、
Ｉ_{Ｒａｍａｎ}は、溶液中の分子のラマンスペクトルの測定された積分バンド強度、
Ｎ_{Ｒａｍａｎ}は、ラマンスペクトル記録用のレーザ光によって「照射された」溶液中の分子の数を示し、
Ｎ_ＳＥＲＳは、ＳＥＲＳ記録用のレーザ光によって「照射された」吸着分子の数を示す。

Ｎ_{Ｒａｍａｎ}は、この式を用いて決定された。

Ｎ_{Ｒａｍａｎ}＝Ｎ_Ａ×Ｃ×Ｄ_ｆ×πｒ^２

ここで、
Ｎ_Ａはアボガドロ数、６．０２×１０^２３、
Ｃは、溶液のモル濃度、
Ｄ_ｆは、焦点深さ、Ｄ_ｆ＝２λ／ＮＡ^２であり、７８５ｎｍラインのとき、ＮＡ（レンズ開口数）が０．５５で、Ｄ_ｆ＝５μｍが生じる。
πｒ^２は、分子の幾何学的断面積である。

Ｎ_ＳＥＲＳは、分子が単分子膜の状態で表面上に吸着されていると仮定し、レーザで照射された面積を考慮して、表面被覆率(surface coverage)に基づいて見積もられる。

Ｎ_ＳＥＲＳ＝Ｎ_ｍ×Ａ

ここで、
Ｎ_ｍは、吸着に用いられる原液(stock solution)中の分子の数、
Ａは、レーザで照射される面積であり、ここでＡ＝π×Ｓであって、Ｓはレーザスポットのサイズであって、測定で用いられる７８５ｎｍラインでレンズ倍率５０×のときに１μｍ^２である。

「１つの基板の再現性」
「１つの基板の再現性」とは、基板上の異なる点で記録されたＳＥＲＳスペクトルの再現性（同じ測定条件下で記録されたＳＥＲＳスペクトルの強度及びバンド位置に関する一致）を意味する。パラメータは、以下の方法で決定される。同じ基板上であるが異なる点で記録された比較可能な(comparable)２つのスペクトル間での相違に相当する面積(area)の積分を決定する。相違に相当する面積の積分が３％を超える相違がなければ、再現性のあるスペクトル（１００％一致）と判断される。

「異なる基板の再現性」
「異なる基板の再現性」とは、異なる基板上で記録されたＳＥＲＳスペクトルの再現性（同じ測定条件下で記録されたＳＥＲＳスペクトルの強度及びバンド位置に関する一致）を意味する。パラメータは、以下の方法で決定される。異なる基板上で記録された比較可能な２つのスペクトル間での相違に相当する面積の積分を決定する。相違に相当する面積の積分が３％を超える相違がなければ、再現性のあるスペクトル（１００％一致）と判断される。

「III属元素の極性を有する側面(Side with polarity of a group III element)（ガリウム側面）」
ウルツ鉱型構造を有するIII属元素窒化物の結晶中において、Ｃ_６結晶回転軸に垂直な結晶面（ミラー指数（０００１）を有するＣ面と呼ばれる）は等価ではない。これらの面は、極性面(polar planes)と呼ばれ、「III属元素の極性を有する面」（化学量論の窒化ガリウムＧａＮの場合、簡潔に「ガリウム面(gallium side)」と呼ばれる）と「Ｎの極性を有する面」（簡潔に「窒素面(nitrogen side)」と呼ばれる）とがある。それらの側面は、異なる物理化学的特性を有する。

本発明の内容は、図面を参照して説明される。

図１は、エッチング処理後の本発明に係るＧａＮ表面のＳＥＭ像を示しており、表面上のウィスカーに特徴的な束が形成されている。 図２は、図１に、厚さ７０ｎｍの金の膜で被覆した後のＧａＮ表面のＳＥＭ像を示している。 図３は、ＳＥＲＳスペクトルを記録するのに用いられるラマン顕微鏡の外観図（ａ）と、その概略図（ｂ）とを示している。 図４は、１０^−６Ｍ溶液からＳＥＲＳ用基板上に吸着されて、異なる点（ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）で記録されたマラカイトグリーン（ＭＧＴＩＣ）のＳＥＲＳスペクトルと、基板自体（ａ）のＳＥＲＳスペクトルとを示している。 図５ａは、１０^−６Ｍ溶液から本発明に係る２つの異なるＳＥＲＳ用基板（基板Ａ、Ｂ）のうちの基板Ａ上に吸着されて、異なる点で記録されたマラカイトグリーン（ＭＧＴＩＣ）のＳＥＲＳスペクトルを示している。 図５ｂは、１０^−６Ｍ溶液から本発明に係る２つの異なるＳＥＲＳ用基板（基板Ａ、Ｂ）のうちの基板Ｂ上に吸着されて、異なる点で記録されたマラカイトグリーン（ＭＧＴＩＣ）のＳＥＲＳスペクトルを示している。 図６は、１０^−５Ｍ水溶液から本発明に係るＳＥＲＳ用基板上に吸着されて、異なる点で記録されたｐ−アミノチオフェノール分子のＳＥＲＳスペクトルを示している（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）。 図７は、１０^−５Ｍ水溶液から本発明に係る４つの異なるＳＥＲＳ用基板（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）上に吸着されたｐ−アミノチオフェノール分子のＳＥＲＳスペクトルを示している。 図８は、１０^−４Ｍ水溶液から本発明に係るＳＥＲＳ用基板上に吸着されたＬ−アラニン分子のＳＥＲＳスペクトルを示している。 図９は、エッチング処理後の本発明に係る別のＧａＮの表面のＳＥＭ像を示しており、表面上のウィスカーに束が形成されていない。

＜実施形態１＞
本発明に係るＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）用基板は以下のように製造された。ＭＯＣＶＤ法によりサファイア上に製造された厚さ３〜８μｍのＧａＮ膜を、基板として使用した。サファイア上のＧａＮウエハーを、５×５ｍｍの（複数の）試料に切断した。試料の表面（ガリウム極性を有するＣ面(crystal plane C)と類似）を、１０％のＨＦ水溶液中で２０分エッチングし、次いで脱イオン水により５回洗浄した。表面清浄後に、各試料を、１５０ｍｌのＫＯＨ−Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８水溶液（各濃度は０．０５ｍｏｌと０．０３ｍｏｌ）中に置いた。次に、試料の入った溶液を、ＵＶランプで１０分間照射した。フォトエッチングの間、溶液をマグネットミキサーで撹拌した。

エッチング後、試料を脱イオン水で３回洗浄し、次に窒素ジェット(nitrogen jet)で表面から水を除去した。

金蒸着の直前に、試料を濃ＨＣｌで１０分間洗浄した。その時間後、試料を脱イオン水ジェット中で１５秒間洗浄した。窒素ジェットで表面から水を除去した。

そして、（電子ビームで加熱される金属のるつぼを備えたデントン真空エバポレータ中で、Ｅ−ｇｕｎ（電子銃）蒸着を用いて）金の膜を表面上に蒸着させた。本発明によれば、金属膜の厚さは本質的に重要であり、好ましくは７０ｎｍ〜８０ｎｍである。より具体的には、２つのプレート---対照用(control)のもの（平坦）とテストされているもの（上述の方法でエッチングすることにより発達させた(developed)表面を備えている）---は、金の膜で同時に（すなわち、同じ装置内、同じプロセスで）被覆され、厚さ７０〜８０ｎｍは、平坦な対照用プレート上に得られた金の膜を参照する。

このようにして、ＧａＮ膜を含む本発明に係るＳＥＲＳ用基板が製造された。

金の膜で被覆されたＧａＮ試料の表面は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、及びラマン分光学により特徴付けられた。

製造された表面のトポグラフィー試験(Topographic examinations)は、ツァイス(Zeiss)社のスープラ走査顕微鏡(Supra scanning microscope)で行った。写真記録は、２次電子を加速電圧２ｋＶで記録することによって得られた。

実施形態１のエッチング法によりＧａＮ表面を発達させた後、ＳＥＭ像（図１）は、直径６０ｎｍ、長さ約１．５μｍのウィスカーを明らかにした。

粗いＧａＮ表面を厚さ約７０ｎｍの金の膜で被覆した後、ＳＥＭ像（図２）は、非常に良好に発達させた（粗面化された）構造を備えた表面を明らかにした。表面張力によって互いにくっついて特徴的な束になったＧａＮウィスカーは、金で被覆されて、規則的に分散した(regularly distributed)円錐構造（基部の直径３００〜４００ｎｍ）を形成する。

＜実施形態２＞
本実施形態は、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア上に製造された厚さ３〜８μｍのＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ膜を、基板として使用することを除いて、実施形態１と同様に進められた。そのように、Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ膜を含む本発明のＳＥＲＳ用基板を製造した。

＜実施形態３＞
本実施の形態は、上記のエッチングが短く、５分間続けることを除いて、実施形態１と同様に進められた。そのように、ＧａＮ膜を含む本発明のＳＥＲＳ用基板を製造した。

実施形態３のエッチング法によりＧａＮ表面を発達させた後、ＳＥＭ像（図９）は、束状につながっていないウィスカーを明らかにした。

以下のプローブ(probes)---マラカイトグリーン（アルドリッチ(Aldrich)社、９９．９９％）、ｐ−アミノチオフェノール（アルドリッチ社、９９．９９％）、及びアミノ酸Ｌ−アラニン（アルドリッチ社、９９．９９％）---を用いて、本発明のＳＥＲＳ用基板をテストした。これらのシステムに対する増強因子（ＥＦ）を決定した。

ラマンスペクトルは、高解像度ＩｎＶｉａ共焦点ラマン顕微分光装置（レニショー(Ranishaw)社）で記録された。測定に使用された励起光の波長は７８５ｎｍであった。散乱光は、回折格子を備えた分光器で分析されて、各エネルギーの強度が、高感度ＣＣＤ検出器で記録された。サンプル上にレーザ光線を集光させるレンズの倍率は５０×であった。空間分解能は１μｍよりも高く、スペクトル分解能は約１ｃｍ^−１であった。測定に使用されたレーザ出力は、ＳＥＲＳ測定では１ｍＷ〜３ｍＷであり、通常のラマンスペクトルの測定では１５０ｍＷであった。スペクトルは、積算時間(accumulation time)１０〜４０秒で記録した。図３には、顕微鏡の外観図（ａ）と、その概略図（ｂ）とが示されている。

染料---１０^−６Ｍのマラカイトグリーンのクロロホルム溶液---２マイクロリットル(μｌ)を、実施形態１のＳＥＲＳ用基板上に置いた。次に、基板を乾燥させ、表面の異なる点で３０本のラマンスペクトルを記録した。図４は、基板表面に吸着されたマラカイトグリーンのスペクトルからランダムに選択した４つ（ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）と、基板自体のスペクトル（ａ）を示している。スペクトルは、出力２．５ｍＷの７８５ｎｍ励起光を用いて、１０秒間記録された。

好ましい実施形態では、基板の異なる点で記録されたスペクトルは同一である。記録された各スペクトルの相対強度は実質的に同じである一方、それらのスペクトルは、波長１６１８ｃｍ^−１、１３７０ｃｍ^−１、１１８０ｃｍ^−１及び４４１ｃｍ^−１に強いバンドを含んでいる。

次の実験では、同じ方法で得られた異なるプラットホームについて、記録されたＳＥＲＳスペクトルの再現性をテストした。１０枚のＳＥＲＳ用基板（例えば、実施形態１で得られた基板）上に吸着された染料のスペクトルを記録した。図５は、本発明の方法で製造された基板からランダムに選択された２つ基板Ａ、Ｂで得られた結果を示している。

さらに、基板上に吸着されたマラカイトグリーンに対する増強因子は、以下の式で決定された。

ＥＦ＝（Ｉ_ＳＥＲＳ／Ｉ_{Ｒａｍａｎ}）／（Ｎ_ＳＥＲＳ／Ｎ_{Ｒａｍａｎ}）

ここで、
Ｉ_ＳＥＲＳ及びＩ_{Ｒａｍａｎ}は、それぞれ、金被覆ＧａＮ表面に吸着されたマラカイトグリーン分子のスペクトルの積分バンド強度（Ｉ_ＳＥＲＳ）と、１０^−６Ｍのマラカイトグリーン溶液中のマラカイトグリーン分子のスペクトルの積分バンド強度（Ｉ_{Ｒａｍａｎ}）であり、
Ｎ_ＳＥＲＳ及びＮ_{Ｒａｍａｎ}は、ＳＥＲＳスペクトル及びラマンスペクトルを得るために、レーザ光によって「照射された」マラカイトグリーンの吸着分子の数を示す。

Ｉ_ＳＥＲＳとＩ_{Ｒａｍａｎ}は、波長１１８０ｃｍ^−１のバンドについて測定された。Ｎ_ＳＥＲＳは、マラカイトグリーンによる表面被覆率（１×１０^１４分子／ｃｍ^２）に基づいて見積もられた（B. Pettinger, B. Ren, G. Picardi, R. Schuster, G. Ertl, J. Raman Spectrosc. Volume 36 Issue 6-7, Pages 541- 550）。Ｎ_{Ｒａｍａｎ}は、上記の定義で計算された、研究対象の溶液中のマラカイトグリーン分子の数を示す。

本発明の基板の好ましい実施形態では、マラカイトグリーンに対して見積もられた増強因子（ＥＦ）は、２．６×１０^６であり、市販されているＳＥＲＳ用基板で見積もられる増強因子よりも２桁高い。

本発明の好ましい別の実施形態では、ｐ−アミノチオフェノール分子がＳＥＲＳプラットホームに吸着され、収集されたスペクトルの再現性は、同じ表面について及び異なる２つの表面についてテストされた（図６、７）。

測定に使用された光の波長は７８５ｎｍ、試料でのレーザ出力は３ｍＷであり、スペクトル積算時間は約１０秒であった。

１０^−４Ｍ水溶液からＳＥＲＳ用基板上に吸着されて、異なる点で記録されたｐ−アミノチオフェノール分子のスペクトルは、再現性があるのが好ましい（図６）。記録された全てのスペクトルにおいて、ｐ−アミノチオフェノールに特有の８４０ｃｍ^−１、１０８０ｃｍ^−１及び１５８９ｃｍ^−１のバンドの相対強度は、８０％の再現性を有する。

本発明と同じ方法によって製造された４つの異なるＳＥＲＳ用基板について、ｐ−アミノチオフェノールバンドの波長と相対強度とは、再現性があるのが好ましい。本発明の方法によって製造されたＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤ（図７）について、波長と相対バンド強度との再現性は、７５％より高い。

上述の機構（ＳＥＲＳ用基板上に吸着されたｐ−アミノチオフェノール）について、増強因子は、上記の関係式を用いて見積もられた。ＥＦ＝（Ｉ_ＳＥＲＳ／Ｉ_{Ｒａｍａｎ}）／（Ｎ_ＳＥＲＳ／Ｎ_{Ｒａｍａｎ}）であり、１．４×１０^６であった。

Ｉ_ＳＥＲＳとＩ_{Ｒａｍａｎ}は、ＳＥＲＳスペクトルと通常のラマンスペクトルのそれぞれにおいて、ｐ−アミノチオフェノールの芳香属環のν_８ａ振動に帰属される波長１５８９ｃｍ^−１に現れる最も強いバンドについて見積もられた。通常のラマンスペクトルでは、１０ｍＭのｐ−アミノチオフェノール水溶液を、７８５ｎｍの励起ラインと１５０ｍＷのレーザ出力を用いて記録した。Ｎ_ＳＥＲＳとＮ_{Ｒａｍａｎ}は、ＳＥＲＳの測定中、及びｐ−アミノチオフェノール溶液の通常のラマンスペクトルの記録中に、レーザ光線で励起された分子の数に相当する。

別の好適な実施形態では、Ｌ−アラニンの１０^−４Ｍ水溶液２マイクロリットル(μｌ)を、実施形態１のＳＥＲＳ用基板に置き、基板を乾燥させた後に、ＳＥＲＳを記録した（図８）。スペクトルは７８５ｎｍ励振光により記録され、レーザ出力は１０ｍＷで、スペクトル積算時間は５分(図8)であった。その場合、Ｌ−アラニンに対して見積もられた増強因子（ＥＦ）は１．９×１０^４であった。

実施形態２〜３の基板で実行された同様の測定も、とてもよく似た結果をもたらした。

本発明の基板は、１０^６オーダーの高い増強因子と、１つの基板（少なくとも８０％）と、いくつかの基板（少なくとも７５％）との両方において、記録されたスペクトルの非常に良好な再現性と、によって特徴付けられる。

本発明の基板は、広範囲にわたる化合物（例えば、有機化合物（染料、ペプチドを含む）、生細胞中の天然有機化合物（例えばフェニルアラニン又はＤＮＡなど）、例えば神経伝達物質（カテコール、ドーパミン、エピネフリン、ヌクレオチド、ヌクレオシド、メンブレン及びシトクロムを含む）に関する研究における生物学的活性物質及び生物学的プロセス）のＳＥＲＳによる研究に利用できる。本発明の内容は、タンパク質又は翻訳後修飾(posttranslational modifications)とのウイルス、薬物相互作用の検出と特性評価に貢献することができる。上述の特徴により、本発明の内容は、バイオセンサー設計におけるアクティブプラットホーム（活性プラットホーム）として利用することができ、それにより、ＳＥＲＳ技術を医療診断に有用な分析ツールにすることができる。

Claims (15)

1. 表面増強ラマン散乱の研究用の基板であって、
   前記基板は、銀、金、白金、銅及び／又はそれらの合金から成る群から選択された金属により被覆された、ウィスカーを含む半導体表面を含んでおり、
   前記半導体はガリウム含有窒化物であり、
   本質的に、各ウィスカーは内部に線状欠陥を含んでいることを特徴とする基板。
2. 前記ウィスカーは、前記半導体表面から離れた末端を介して互いに接続されて、円錐状の束を形成することを特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 前記線状欠陥は転位領域又は反転領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板。
4. 前記半導体表面上における前記金属の膜厚は５０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、好ましくは７０ｎｍ〜８０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板。
5. 前記ウィスカーの長さは０．２μｍ〜２．０μｍであり、より好ましくは０．５μｍ〜１．５μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板。
6. 前記ウィスカーの直径は４０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、より好ましくは５０ｎｍ〜７０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板。
7. 前記ウィスカーの直径に対する長さの比は５〜５０であり、より好ましくは１０〜３０であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の基板。
8. 前記半導体表面上での前記ウィスカーの表面密度は１０^８／ｃｍ^２〜１０^１０／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の基板。
9. 前記金属は金であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の基板。
10. 前記ガリウム含有窒化物は窒化ガリウムＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の基板。
11. 前記窒化ガリウムの前記半導体表面は、ミラー指数（０００１）の結晶面、すなわち、Ｇａ極性のＣ面と類似していることを特徴とする請求項１０に記載の基板。
12. 前記窒化ガリウムの前記半導体表面は、ミラー指数（０００−１）の結晶面、すなわち、Ｎ極性のＣ面と類似していることを特徴とする請求項１０に記載の基板。
13. その表面に吸着された分子に対する増強因子ＦＥは１０^４より高く、好ましくは１０^６より高いことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の基板。
14. 同じ前記基板の異なる点で記録されたラマンスペクトルの再現性が８０％以上であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の基板。
15. 異なる前記基板上で記録されたラマンスペクトルの再現性が７５％以上であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の基板。