JP4078456B2

JP4078456B2 - 微粒子構造体

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Publication number: JP4078456B2
Application number: JP2003026771A
Authority: JP
Inventors: 威日野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
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Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2008-04-23
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶として利用される微粒子構造体に関し、特に微粒子構造体への欠陥導入に関するものである。
【０００２】
本発明は、フォトニック結晶の欠陥を利用した導波路デバイス、および、光共振器などの光回路の分野への応用に特に適する微粒子構造体に関するものであるが、さらに、フォトニック結晶に限らず、一般に、構造体が高度に規則配列した周期構造を有することによる特有の特性を発現し、かつ、この構造体中に全体の周期構造を壊すことなく、周期構造の欠陥（不規則性）を導入することにより、新たな特性を発現する材料およびデバイスに適用可能である。
【０００３】
【従来の技術】
従来の微粒子を用いた構造体やフォトニック結晶、およびその形成方法に関する公知文献として、例えば特許第２９０５７１２号（特許文献１）、特開２００１−４２１４４号公報（特許文献２）、特開２００１−２４９２３４号公報（特許文献３）などがある。以下、これらの公知文献の要約をまとめておく。
【０００４】
ａ）特許第２９０５７１２号明細書（特許文献１）に開示された発明は、微粒子の最密充填構造を有したオパール様回折発色膜とその製造法に関するものである。
ｂ）特開２００１−４２１４４号公報（特許文献２）に開示された発明は、微粒子の結晶構造を利用したフォトニック結晶とその製造方法に関するものである。ｃ）特開２００１−２４９２３４号公報（特許文献３）に開示された発明は、ポリマー媒質中で微粒子を配列させた後に、圧縮するフォトニック結晶の形成方法に関するものである。
【０００５】
これらは、結晶全体の構造を崩さずに、欠陥ボリュームが制御された欠陥が導入された微粒子構造体および微粒子によるフォトニック結晶については何ら言及していない。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９０５７１２号明細書
【特許文献２】
特開２００１−４２１４４号公報
【特許文献３】
特開２００１−２４９２３４号公報
【非特許文献１】
ユリイエーヴラソフ（Yurii A.Vlasov）外３名著，“On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals”「ネ−チャ（Nature）」，２００１年１１月１５日，Vol.４１４, ｐ．２８９−２９３
【非特許文献２】
クラシミールピーベリコフ（Krassimir P.Velikov）外２名著“Photonic crystal of core-shell colloidal particles”「アプライドフィズィックスレターズ（Applied Physics Letters）」，２００２年１月７日，Vol.８０，No.１, ｐ．４９−５１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶とは、屈折率の異なった二つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶では、この規則構造・周期構造を有することにより、従来の光学材料では得られなかった特性を発揮するようになる。
【０００８】
そのもっとも特徴的なものは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の発現である。フォトニック結晶では、ＰＢＧに対応した波長の光は完全に通さないが、その他の波長は透過させることができる。完全（無欠陥）なフォトニック結晶では、ＰＢＧの波長の光は完全に通さない。図１２は、フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図（横軸；波長、縦軸；透過率）であり、１０１はＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）を示している。ＰＢＧ１０１に対応した波長の光はフォトニック結晶中を通さない（透過率がゼロ）ことを示している。
【０００９】
こうしたフォトニック結晶の利用の仕方にはいろいろあるが、フォトニック結晶の特性を活かした最も重要な使用方法は、フォトニック結晶中に欠陥を導入することにより、本来、光が存在しえないＰＢＧ中に局在化した準位（欠陥準位）を発生させて、欠陥が導入された領域にのみ光を局在させるというものである。
【００１０】
図１３は、光が存在しえないＰＢＧ中に欠陥により発生した局在化した準位（欠陥準位）１０２を示す図であり、光はこの局在化した準位（欠陥準位）１０２のみに局在するようになる。こうした光の局在化の特性を利用して導波路や共振器などを構成することが可能となる。
【００１１】
こうした欠陥の導入が具体的にどのように行われているのかを、通常、行われているＳＯＩ（Silicon on Insulator）を利用したエアーブリッジ型の２次元フォトニック結晶を例にして説明する。
【００１２】
図１４は、無欠陥の２次元のエアーブリッジ型フォトニック結晶を示す図であり、同図（ａ）は上方から見た平面図を、同図（ｂ）はその断面図を示している。図１４に示す無欠陥の２次元のエアーブリッジ型フォトニック結晶では、シリコン結晶１０３中に一定の周期でエアーホール１０４が導入されていて、欠陥が全く存在しない状態を示している。同図において、１０５はシリコン基板、１０６は酸化シリコン、１０７は空隙を示している。
【００１３】
図１４に示す如き無欠陥の２次元のエアーブリッジ型フォトニック結晶への欠陥導入は、周期構造の繰り返しを乱すことによって行われる。
【００１４】
具体的には、図１５（ａ）に示すように、無欠陥の２次元エアーブリッジ型フォトニック結晶の場合に周期的に繰り返されるエアーホールのうち、欠陥１０８となる箇所にはエアーホールを入れないという方法（これを「ドナー型」という）と、図１５（ｂ）に示すように、無欠陥の２次元エアーブリッジ型フォトニック結晶の場合に周期的に繰り返されるエアーホール１０４のうち、欠陥１０９となる箇所には他のエアーホール１０４とは異なる大きさのエアーホールを入れてやる方法（これを「アクセプタ型」という）がある。こうしたドナー型およびアクセプタ型といった呼び方の由来は、通常の半導体材料への不純物ドーピングのアナロジーからきている。
【００１５】
また、特にアクセプタ型では、欠陥となる位置のエアーホールの大きさを変えることにより、ＰＢＧに導入される準位のエネルギー（波長λ）を変えてやることができる。図１６は、アクセプタ型欠陥の大きさと順位のエネルギー（周波数ω＝ｈｃ／波長λ）の関係を示す図であり、アクセプタ型欠陥の大きさが大きくなるほど、ＰＢＧに導入される順位のエネルギーも大きくなることを示している。
【００１６】
この関係を利用することにより、アクセプタ型欠陥の大きさによる波長チューニング性を付与させることができる。このように、欠陥の大きさを変えることにより、波長チューニング性を付与させることを、本発明では、“欠陥ボリュームを制御する”という言葉を用いて表現することにする。
【００１７】
上記の例は、フォトニック結晶として２次元結晶を用いた場合の例であるが、光の局在化や閉じ込めが可能になるというフォトニック結晶の特性を考えると、フォトニック結晶として３次元結晶の形態で利用した方が有効と考えられる。その理由は、２次元結晶の場合には、上下方向に対して光の閉じ込め効果が働いていないため、どうしても上下方向に光が漏れてしまうからである。
【００１８】
しかしながら、上記で説明した技術は、フォトリソグラフィなどによる微細加工技術をベースにしているため、３次元フォトニック結晶へ適用させることは難しい。
【００１９】
３次元フォトニック形成に有利な微粒子を用いた方法では、フォトニック結晶に欠陥を導入したり、ドーピングしたりする場合には、従来、フォトニック結晶の基本構造を構成する微粒子とは大きさの異なる微粒子を結晶の一部に入れていた（例えば、ユリイエーヴラソフ（Yurii A.Vlasov）外３名著，“On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals”「ネーチャ（Nature）」，２００１年１１月１５日，Vol.４１４, ｐ．２８９−２９３参照；非特許文献１）
【００２０】
しかしながら、この方法では、フォトニック結晶全体の周期構造を乱さずに導入できる欠陥は、基本構造を構成する微粒子間の間隙にちょうど入り込める微粒子の使用しか許されない。これよりも大きな微粒子を使用すると、フォトニック結晶全体の周期構造を乱してしまう。したがって、この方法では、導入した欠陥の欠陥ボリュームを制御することはできない。
【００２１】
以上のように、３次元フォトニック結晶に欠陥を導入し、かつ、結晶全体の周期構造を壊さずに自在にその欠陥ボリュームが制御する方法は、従来、全く提示されていなかった。
【００２２】
本発明の目的は、上記問題点を解消し、欠陥ボリュームが制御された欠陥が導入された３次元フォトニック結晶などのための微粒子構造体を提供すること、また、フォトニック結晶と同様に、構造体が規則的な繰り返し構造（周期構造）を有することにより、特有の特性を発現し、この周期構造体中に欠陥を導入することにより、新たな特性が付与される場合において、構造体全体の繰り返しを乱すことなく、局所的に欠陥が導入された周期的な微粒子構造体を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、次のような構成を有することを特徴としている。すなわち、
ａ）請求項１記載の発明は、微粒子が３次元的に周期構造を有する微粒子構造体において、材質ａからなる微粒子１および材質ｂの芯と材質ｃの外殻からなる多重構造を有する微粒子２とから形成され、かつ、微粒子１と微粒子２は同一粒子径かつ同一形状を有し、微粒子２が任意の箇所に導入されていることを特徴としている。
【００２４】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１に記載の微粒子構造体において、さらに、微粒子２の材質ｂと材質ｃによる多重構造が空間的な対称性を有していることを特徴としている。
【００２５】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の微粒子構造体において、微粒子１および微粒子２が球形状であることを、請求項４記載の発明は、微粒子２が材質ｂが異なる複数種の微粒子を含んでいることを、請求項５記載の発明は、微粒子２が芯と外殻の体積比率が異なる複数種の微粒子を含んでいることを、それぞれ特徴としている。
【００２６】
ｄ）請求項６記載の発明は、請求項１または２記載の微粒子構造体において、微粒子２の配置位置が、微粒子構造体中で、２次元的もしくは３次元的に任意のパターンとなっていることを特徴とし、請求項７記載の発明は、さらに、当該微粒子構造体中の微粒子２のパターンが空間的な対称構造を有していることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る微粒子構造体の基本構成を、図１を用いて説明する。同図において、（ａ）は本発明に係る微粒子構造体の斜視図、同図（ｂ）はその断面図である。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、本発明に係る微粒子構造体は、材質ａからなる微粒子１の周期的構造体中に、材質ｂの芯と材質ｃの外殻からなる多重構造を有する微粒子２が部分的に置換されて導入されている。
【００２９】
微粒子１と微粒子２は同一粒子径、かつ、同一形状であるため、微粒子１からなる周期的構造体の中に微粒子２が入り込んでいても、微粒子構造体全体の周期性を乱すことはないが、フォトニック結晶のように特性の決定に誘電率が支配している場合を例にすると、微粒子２の芯の材質ｂとして微粒子１の材質ａとは異なる誘電率のものを選択することにより、フォトニック結晶としては欠陥が導入されたことと等価になる。その結果として、光学特性としては、この欠陥の導入によって局在化された準位が形成される。
【００３０】
上の説明では、微粒子２の外殻の材質ｃについては、特に述べなかったが、フォトニック結晶としては、微粒子２全体の平均化された誘電率が問題となるわけで、微粒子２の平均化された誘電率の値を制御するために、粒子２の芯の材質ｂと外殻の材質ｃが異なるようにすればよい。通常は、粒子２の外殻の材質ｃと粒子１の材質ａは同じ材質にした方が製法上から見て都合が良い。
【００３１】
以上の説明で、材質の誘電率について述べているのは、フォトニック結晶が誘電率の空間的周期構造によって、その特性を発現するからである。本発明の本旨は、全体の周期構造が乱されることなく、制御された欠陥が導入されている微粒子構造体である。したがって、誘電率ではない他の物性値の空間周期構造によりフォトニック結晶以外の特有の特性を発現する構造体の場合には、特性を発現する元となる誘電率以外の物性値が粒子１の材質ａと粒子２の芯の材質ｂとで異なるようにすればよい。
【００３２】
本発明では、導入する欠陥の箇所が多重構造を有していることにより、その箇所の平均の物性値（フォトニック結晶の場合には誘電率）を制御している。このようなやり方は、微細加工によるトップダウン的な形成方法では難しい。本発明でも、欠陥導入のための微粒子２に多重構造をもたせ、その大きさと形状を、結晶の構成する微粒子１と同一にして、ボトムアップ（自己組織化現象の利用）により、全体の周期構造を乱さずに、制御された欠陥が入っている微粒子構造体を実現している。
【００３３】
フォトニック結晶内の欠陥の分類方法として、上では、ドナー型とアクセプタ型という分類の仕方について説明したが、欠陥の別の分類の仕方としては、「空気欠陥」と「誘電体欠陥」という分類の仕方がある。フォトニック結晶の誘電率空間変調が誘電率ε１と誘電率ε２の物質の空間周期構造により構成されている場合（誘電率ε１＜誘電率ε２）に、誘電率ε１あるいはそれに近い誘電率により導入された欠陥を「空気欠陥」と呼ぶ。また、誘電率ε２あるいはそれに近い誘電率により導入された欠陥を「誘電体欠陥」と呼ぶ。
【００３４】
この名前の由来は、通常のフォトニック結晶では、空気（誘電率ε１）と誘電体（誘電率ε２）により構成されるからである。こうした欠陥は、「空気欠陥」の場合は、ＰＢＧ中の低波長側に局在準位をつくり、「誘電体欠陥」の場合は、ＰＢＧ中の長波長側に局在準位をつくるという特徴を有している。
【００３５】
図２は「空気欠陥」と「誘電体欠陥」における局在化した順位の位置を示す例であり、同図（ａ）はＰＢＧ中の低波長側に局在準位１１が作られた「空気欠陥」の場合を示し、同図（ｂ）はＰＢＧ中の長波長側に局在準位１２が作られた「誘電体欠陥」の場合を示している。
【００３６】
本発明の利点の一つは、図１４と図１５を用いて説明した従来の欠陥導入方法では、アクセプタ型の欠陥は自動的に「空気欠陥」となってしまうが、本発明の場合には、微粒子１と微粒子２の材質の選び方によって、「空気欠陥」と「誘電体欠陥」のどちらのタイプでもアクセプタ型による波長チューニングが可能だという点である。
【００３７】
すなわち、シリカ（SiO₂ )とチタニアで材料の構成を考えた場合に、微粒子１をシリカ（SiO₂）で構成し、微粒子２の芯をチタニアで構成した場合に「誘電体欠陥」を導入できる（詳細は、後述する図３に示す実施例を参照）。
【００３８】
また逆に、微粒子１をチタニアで構成し、微粒子２の芯をシリカ（SiO₂ )で構成した場合に「空気欠陥」を導入することができる。さらに、どちらのやり方でも、微粒子２の芯の大きさを変えることにより、波長チューニングを行うことができる。
【００３９】
また、以上の説明では、微粒子構造体の基本構造を構成する微粒子には均質の微粒子を用い、欠陥を導入する微粒子には、多重構造の粒子を用いたが、本発明の本旨からして、この逆の構成であっても良い。すなわち、微粒子構造体の基本構造を構成する微粒子に多重構造の微粒子を用い、欠陥を導入する微粒子に均質の微粒子を用いても良い。
【００４０】
本発明で用いている多重構造の粒子を形成する方法には既にいろいろな方法が開発されており、こうした多重構造の粒子を使ってフォトニック結晶に利用するという研究は、例えば、クラシミールピーベリコフ（Krassimir P.Velikov）外２名著“Photonic crystal of core-shell colloidal particles”「アプライドフィズィックスレターズ（Applied Physics Letters）」，２００２年１月７日，Vol.８０，No.１, ｐ．４９−５１（非特許文献２）などの論文に開示されているが、本発明のように同一の大きさ（粒子径）・形状の粒子を用いることにより、結晶の乱れを防止できることや、欠陥ボリュームを制御できることなどについては全く報告されていない。
【００４１】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例では、請求項１、請求項２および請求項３の発明を具体的に実施した例を説明する。
【００４２】
本実施例では、図３に示すように、微粒子１として、粒径 300 nm の球形状単分散シリカ（SiO₂ )粒子１３を使用し、微粒子２として、粒径 250 nm の球形状単分散チタニア粒子１４の表面にシリカ（SiO₂ )１５をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子を使用した。
【００４３】
図４は、微粒子構造体の集積方法を示す図である。
図４に示すように、まず、上記微粒子１（粒径 300 nm の球形状単分散シリカ粒子）を水：エタノール＝１：１の分散媒中に５wt％で分散させた原料液２０を調整し、原料液容器１９に入れる。同図において、２５は原料液容器１９からの分散媒蒸散防止のためのカバーである。
【００４４】
次に、酸化膜つき Si ウェハに Ti イオンを照射した基板２１と、酸化膜つき Siウェハの基板２２の間に、粒径 10 μm の微粒子をギャップ材２３として用い、厚さ 10 μm の空間を作る。ここで、基板２１にTi イオンを照射した基板を用いる理由は、後の工程で、基板２１と基板２２の間に形成された微粒子構造体２４を剥がし取る際に、基板２１の上に微粒子構造体２４を選択的に残すためである。
【００４５】
以上のようなギャップ材２３を挟んだ基板２１と基板２２による構成物の下端を、図４に示すがごとく原料液２０につける。このようにした場合、基板２１と基板２２による構成物の上端からは分散媒が蒸発するため、原料液２０は、基板２１と基板２２による作られる間隙中を図４中の上方へ向かって供給され、基板２１と基板２２による構成物の上端に微粒子構造体２４が集積される。このときにできる微粒子構造体２４が図１（ａ）の断面より下側の部分である。
【００４６】
微粒子構造体２４の集積後、分散媒を充分蒸発させた後、基板２２を剥がすことにより、基板２１上に微粒子１（図３参照）を含む微粒子構造体２４が得られる。
【００４７】
この後、微粒子構造体２４を７００℃で１時間炉中アニールを行った後、今度は、微粒子２（図３参照）をマイクロピンセットにより、微粒子構造体２４の表面の任意の位置、例えば図１（ｂ）のように配置する。この後、再び、微粒子構造体を７００℃で１時間炉中アニールを行なう。
【００４８】
この後、基板上に微粒子構造体２４が形成された基板２１と基板２２で、上記と同様の工程で、しかし今度は粒径 20 μm の微粒子をギャップ材に用いて、厚さ 20 μm の空間を作り、基板２１と基板２２による構成物の下端を、図４に示すように、微粒子１による原料液２０につけて、先に形成した微粒子構造体２４の表面に微粒子２が配置された微粒子構造体２４の上に、さらに微粒子１の微粒子構造体を集積させる。このときにできる微粒子構造体２４が図１（ａ）の断面より上側の部分である。
【００４９】
微粒子構造体を集積した後、基板２２を剥がし、７００℃で１時間炉中アニールを行い、図１に示すような微粒子構造体を得る（図１では、基板２１は省略してある）。
【００５０】
上述したように、本例の場合は、図１（ａ）の微粒子構造体の斜視図の下から順次、結晶層、欠陥導入層、結晶層が形成される。同図（ｂ）は図１（ａ）の断面と示している層の断面図であり、微粒子１からなる微粒子構造体の中に、微粒子２が配置されていることを示している。
【００５１】
なお、上述したマイクロピンセットとは、原子間力顕微鏡やトンネル顕微鏡などに用いられているマイクロプローブを微小物質のハンドリングに用いたもので、これを用いて、粒子を１個ごと、あるいは、複数の粒子からなるブロックを狙った位置にもっていって配置する。
【００５２】
（実施例２）
本実施例では、請求項１、請求項２および請求項４の発明を具体的に実施した例を説明する。
【００５３】
本実施例では、図５に示すように、微粒子１として、粒径 300 nm の球形状単分散シリカ（SiO₂ )粒子３１を使用し、粒子２として、粒径 250 nm の球形状単分散チタニア粒子３２の表面にシリカ（SiO₂ )３３をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-１）と、粒径 250 nm の球形状単分散アルミナ粒子３４の表面にシリカ（SiO₂ )３５をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-２）を使用した。
【００５４】
まず、実施例１と同様に、図４に示すようにして、微粒子１を酸化膜つき Si ウェハに Ti イオンを照射した基板２１上に集積させる。このときにできる微粒子構造体が図６（ａ）の断面より下側の部分である。
【００５５】
この後、微粒子構造体を７００℃で１時間炉中アニールを行った後、マイクロピンセットにより、上記微粒子２-１と微粒子２-２をそれぞれ微粒子構造体の表面の任意の位置に配置する。このときの微粒子２（微粒子２-１と微粒子２-２）の配置例は図６（ｂ）を参照されたい。
【００５６】
その後、実施例１と同様に基板上に微粒子構造体が形成された基板２１と基板２２で、粒径 20 μm の微粒子をギャップ材に用いて、厚さ 20 μm の空間を作り、基板２１と基板２２による構成物の下端を、図４に示すように、微粒子１による原料液につけて、微粒子１の微粒子構造体を集積させる。このときにできる微粒子構造体が図６（ａ）の断面より上側の部分である。
【００５７】
微粒子構造体を集積した後、基板２２を剥がし、７００℃で１時間炉中アニールを行い、図６に示すような微粒子構造体を得る（図６では、基板は省略してある）。
【００５８】
上述したように、本例の場合は、図６（ａ）の微粒子構造体の斜視図の下から順次、結晶層、欠陥導入層、結晶層が形成される。同図（ｂ）は図６（ａ）の断面と示している層の断面図であり、微粒子１からなる微粒子構造体の中に、微粒子２（微粒子２-１と微粒子２-２）が配置されていることを示している。
【００５９】
（実施例３）
本実施例では、請求項１、請求項２および請求項５の発明を具体的に実施した例を説明する。
【００６０】
本実施例では、図７に示すように、微粒子１として、粒径 300 nm の球形状単分散シリカ（SiO₂ )粒子４１を使用し、微粒子２として、粒径 250 nm の球形状単分散チタニア粒子４２の表面にシリカ（SiO₂ )４３をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-１）と、粒径 200 nm の球形状単分散チタニア粒子４４の表面にシリカ（SiO₂ )４５をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-２）を使用した。
【００６１】
本実施例における微粒子構造体の形成方法は、微粒子２が異なるだけで実施例１および実施例２と同様である。
【００６２】
本実施例によれば、図８に示すような微粒子構造体を得ることができる（図８では、基板２１は省略してある）。
【００６３】
上述したように、本例の場合は、図８（ａ）の微粒子構造体の斜視図の下から順次、結晶層、欠陥導入層、結晶層が形成される。同図（ｂ）は図８（ａ）の断面と示している層の断面図であり、微粒子１からなる微粒子構造体の中に、微粒子２（微粒子２-１と微粒子２-２）が配置されていることを示している。
【００６４】
（実施例４）
本実施例では、請求項１、請求項２および請求項６の発明を具体的に実施した例を説明する。
【００６５】
本実施例では、図９に示すように、微粒子１として、粒径 300 nm の球形状単分散シリカ（SiO₂ )粒子５１を使用し、粒子２として、粒径 270 nm の球形状単分散チタニア粒子５２の表面にシリカ（SiO₂ )５３をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-１）と、粒径 230 nm の球形状単分散チタニア粒子５４の表面にシリカ（SiO₂ )５５をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-２）と、粒径 180 nm の球形状単分散チタニア粒子５６の表面にシリカ（SiO₂ )５７をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子（微粒子２-３）を使用した。
【００６６】
本実施例における微粒子構造体の形成方法は、実施例１、実施例２および実施例３と同様であるが、微粒子２（微粒子２-１、微粒子２-２、微粒子２-３）をマイクロピンセットで配列させる際に図１０のように配列させる。粒子２（微粒子２-１、微粒子２-２、微粒子２-３）の配列の後、実施例３と同様に、微粒子１を集積させて、目的の微粒子構造体を得る。
【００６７】
図１０の如き特徴あるパターニングすることにより、波長λ１と波長λ２が混合された光を図１０のＡから入れると、微粒子２-２により作られる局所準位の波長をλ１、微粒子２-３により作られる局所準位の波長をλ２とするときに、波長λ１と波長λ２が混合された光を図１０のＡから入れると、Ｂからは波長λ１の光を、Ｃからは波長λ２の光を取り出すことが可能になる。
【００６８】
（実施例５）
本実施例では、請求項１、請求項２および請求項７の発明を具体的に実施した例を説明する。
【００６９】
本実施例では、微粒子１として、粒径 300 nm の球形状単分散シリカ粒子を使用し、微粒子２として、粒径 250 nm の球形状単分散チタニア粒子の表面にシリカ（SiO₂ )をコートして、粒径 300 nm とした球形状単分散粒子を使用した。
【００７０】
本実施例における微粒子構造体の形成方法は実施例１、実施例２、実施例３および実施例４と同様であるが、微粒子２をマイクロピンセットで配列させる際に図１１のように配列させる点を特徴としている。微粒子２の配列の後、実施例３と同様に、微粒子１を集積させて、目的の微粒子構造体を得る。図１１に示すとおり、本実施例は、六回対称と平進対称による繰り返し構造の場合の例である。
【００７１】
本発明では、欠陥微粒子（微粒子２）と微粒子構造体の構成粒子（微粒子１）の形状・大きさが同一であるため、微粒子構造体全体の規則性を壊すことなく、空間対称構造を有した欠陥の導入を可能にしている。
【００７２】
なお、上記実施例１から５で用いた微粒子の材料は、シリカ（SiO₂ )、チタニア、アルミナであるが、本発明はこれらの材料に限定するものではない。シリカ（SiO₂ )やチタニアなどの金属酸化物、他の無機誘電体材料、金属、半導体、有機物でもかまわない。要するに、周期構造効果を利用する物性値が、微粒子２の芯と外殻で異なっている点だけが重要である。
【００７３】
なお、上記実施例では、まず、第１のギャップ材を用いて微粒子１を集積し、その集積面の所定の位置に微粒子２を配置し、さらに、その上に第２のギャップ材を用いて微粒子１を集積するようにしているが、さらなるギャップ材（第３のギャップ材、第４のギャップ材…など）を用いて、より多くの層に微粒子２を配置することも可能である。微粒子２を配置する層を多くすることによって多様なデバイスを実現することも可能である。
【００７４】
以上、２つのギャップ材を用いて微粒子１の集積体、微粒子２の配置層、微粒子１の集積体からなる微粒子構造体を製造する方法、あるいは、より多くのギャップ材を用いることによって微粒子１の層、微粒子２の任意パターン配置層、微粒子１の層、微粒子２の任意パターン配置層、微粒子１…など、より多くの層を重ねた微粒子構造体を製造する方法の例を示したが、必ずしも上述した如きギャップ材を用いる必要はなく、複数層の結晶構造を積層する周知の技術を利用することによっても、微粒子１の層と微粒子２の任意パターン配置層を繰り返した構成を有する本発明に係る微粒子構造体を製造することは可能である。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。
以下、本発明の効果を各請求項毎に記す。
請求項１に記載する微粒子構造体は、微粒子構造体の構成微粒子１と欠陥微粒子２が同じ形状、同じ粒径なので、欠陥が導入された微粒子構造体でも全体の構造を壊したり、乱したりすることがない。また、導入された欠陥は、欠陥微粒子２が多重構造を有しているため、平均の物性値（例えば、誘電率など）を変えることにより、微粒子構造体形成時に制御することができる。
【００７６】
請求項２に記載する微粒子構造体は、欠陥微粒子２の多重構造が空間的な対称性を有しているために、導入される欠陥の制御性を向上させている。
【００７７】
請求項３に記載する微粒子構造体は、微粒子１および微粒子２が球形状であるため、微粒子構造体の形成の際に、微粒子が最密充填構造をとろうとする自己組織化現象を利用して形成することができる。
【００７８】
請求項４に記載する微粒子構造体は、芯と外殻からなる多重構造を有する粒子２が、芯の材質が異なっている複数種の微粒子を含んでいることにより、微粒子構造体中に特性の異なる複数の欠陥が導入されており、フォトニック結晶の場合には、異なった波長の利用といったように、欠陥が複数種あることを利用したデバイスへの利用が可能となる。
【００７９】
請求項５に記載する微粒子構造体は、芯と外殻からなる多重構造を有する微粒子２が、芯と外殻の体積比率が異なっている複数種の微粒子を含んでいることにより、微粒子構造体中に特性の異なる複数の欠陥が導入されており、フォトニック結晶の場合には、異なった波長の利用といったように、欠陥が複数種あることを利用したデバイスへの利用が可能となる。
【００８０】
請求項６に記載する微粒子構造体は、多重構造となっている微粒子２の配置位置が、微粒子構造体中で、２次元的もしくは３次元的な、任意のパターンとなっていることにより、導入された欠陥を利用して、導波路や共振器などのデバイスを構成することができる。
【００８１】
請求項７に記載する微粒子構造体は、多重構造となっている微粒子２の微粒子構造体中でのパターンが空間的な対称構造を有していることにより、対称構造による共鳴効果利用したデバイスや共振器のモード低減など、空間対称構造による効果を利用したデバイスの構成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る微粒子構造体の基本構成を示す図である。
【図２】空気欠陥と誘電体欠陥を説明するための図である。
【図３】実施例１で使用する微粒子を説明するための図である。
【図４】微粒子構造体の集積方法を説明するための図である。
【図５】実施例２で使用する微粒子を説明するための図である。
【図６】実施例２の微粒子構造体を示す図である。
【図７】実施例３で使用する微粒子を説明するための図である。
【図８】実施例３の微粒子構造体を示す図である。
【図９】実施例４で使用する微粒子を説明するための図である。
【図１０】実施例４における微粒子２のパターンを説明するための図である。
【図１１】実施例５における微粒子２のパターンを説明するための図である。
【図１２】フォトニック結晶の光透過スペクトルを説明するための図である。
【図１３】欠陥により発生する局在準位を説明するための図である。
【図１４】エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶を説明するための図である。
【図１５】２次元フォトニック結晶への欠陥の導入を説明するための図である。
【図１６】アクセプタ型欠陥の大きさと形成される準位の周波数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１１：低波長側の局在準位、１２：長波長側の局在準位、１３：シリカ（SiO₂ )粒子、１４：チタニア粒子、１５：シリカ（SiO₂ )粒子、
１９：原料液容器、２０：原料液、２１，２２：基板、２３：ギャップ材、２４：微粒子構造体、２５：カバー、
３１：シリカ（SiO₂ )粒子、３２：チタニア粒子、３３：シリカ（SiO₂ )、３４：アルミナ粒子、３５：シリカ（SiO₂ )、
４１：シリカ（SiO₂ )粒子、４２：チタニア粒子、４３：シリカ（SiO₂ )、４４：チタニア粒子、４５：シリカ（SiO₂ )、
５１：シリカ（SiO₂ )粒子、５２：チタニア粒子、５３：シリカ（SiO₂ )、５４：チタニア粒子、５５：シリカ（SiO₂ )、５６：チタニア粒子、５７：シリカ（SiO₂ )、
１０１：ＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）、１０２：局在化した準位（欠陥準位）、１０３：シリコン結晶、１０４：エアーホール、１０５：シリコン基板、１０６：酸化シリコン、１０７：空隙、１０８：欠陥（エアホールなし）、１０９：欠陥（大きさの異なるエアホール）。

Claims

微粒子が３次元的に周期構造を有する微粒子構造体において、
材質ａからなる微粒子１および材質ｂの芯と材質ｃの外殻からなる多重構造を有する微粒子２とから形成され、かつ、前記微粒子１と前記微粒子２は同一粒子径かつ同一形状を有し、前記微粒子２が任意の箇所に導入されていることを特徴とする微粒子構造体。
請求項１に記載の微粒子構造体において、
前記微粒子２の材質ｂと材質ｃによる多重構造が空間的な対称性を有していることを特徴とする微粒子構造体。
請求項１または２記載の微粒子構造体において、
前記微粒子１および前記微粒子２が球形状であることを特徴とする微粒子構造体。
請求項１から３のいずれかに記載の微粒子構造体において、
前記微粒子２が、材質ｂが異なる複数種の微粒子を含んでいることを特徴とする微粒子構造体。
請求項１から３のいずれかに記載の微粒子構造体において、
前記微粒子２が、芯と外殻の体積比率が異なる複数種の微粒子を含んでいることを特徴とする微粒子構造体。
請求項１または２記載の微粒子構造体において、
前記微粒子２の配置位置が、微粒子構造体中で、２次元的もしくは３次元的に任意のパターンとなっていることを特徴とする微粒子構造体。
請求項６記載の微粒子構造体において、
当該微粒子構造体中の前記微粒子２のパターンが空間的な対称構造を有していることを特徴とする微粒子構造体。