JP4229215B2 - 近接場光発生器及びプラズモンプローブ - Google Patents

Description

本発明は、近接場光発生器及びプラズモンプローブに関する。

磁気記録方式では、記録密度が高くなると磁気ビットが外部温度等の影響を顕著に受けるようになる。このため高い保磁力を有する磁気記録媒体が必要になるが、そのような磁気記録媒体を使用すると記録時に必要な磁界も大きくなる。記録ヘッドによって発生する磁界は飽和磁束密度によって上限が決まるが、この値は材料限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、記録時に局所的に加熱して磁気軟化を生じさせ、保磁力が小さくなった状態で記録し、その後に加熱を止めて自然冷却することにより、記録した磁気ビットの安定性を保証する方式が提案されている。この方式は熱アシスト磁気記録方式と呼ばれている。

熱アシスト式磁気記録方式では、磁気記録媒体の加熱を瞬間的に行うことが望ましい。また、加熱する機構と磁気記録媒体とが接触することは許されない。このため、加熱は光の吸収を利用して行われるのが一般的であり、加熱に光を用いる方式は光アシスト式と呼ばれている。光アシスト式で超高密度記録を行う場合、必要なスポット径は２０ｎｍ程度になるが、通常の光学系では回折限界があるため、光をそこまで集光することはできない。そこで、非伝搬光である近接場光を用いて加熱する方式がいくつか提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方式では適当な波長のレーザ光を光学系によって集光し、数十ｎｍの大きさの金属（プラズモンプローブと呼ばれる。）に照射して近接場光を発生させ、その近接場光を加熱手段として用いている。

上記のプラズモンプローブを平面状の金属とした場合において、プラズモンを効率良く発生させるための、最適な形状、寸法、材料について提案されている（特許文献２参照）。

一方、金属は自由電子が存在するため、数１００ｎｍ程度の金属薄膜に光束を照射すると自由電子と結びつき電磁波となって特定の方向に導かれて、特定の位置で増幅されるプラズモン増幅が起こる事が知られている（非特許文献１）。この場合、特に複素誘電率の実部の絶対値が大きく虚部が小さい性質を持つ金属はプラズモン増幅の効果が高い。
特開２００５−１１６１５５号公報 特開２００３−１１４１８４号公報 Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎｓ ｏｎ Ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ Ｒｏｕｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｉｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ／ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ （１９８８）／ Ｈ． Ｒａｅｔｈｅｒ

光アシスト式磁気記録ヘッドのプラズモンプローブは、光が照射されてプラズモンを発生し増幅して近接場光を発生することで、磁気記録媒体を加熱する。この時、プラズモンプローブの近接場光を発生する近傍は、４００℃といった高温となる。従って、プラズモンプローブを構成する金属は高温による酸化等の変質しないものがよい。

高温による酸化等に対して安定な金属として金がある。さらに、金は複素誘電率の実部の絶対値が大きく虚部が小さい性質を持つ金属でプラズモン増幅が大きい。このためプラズモンプローブに好適な金属である。一方、プラズモンプローブを配設する好適な部材として近赤外光を透過し、屈折率が大きく微細な加工が容易なシリコンがある。しかしながら、シリコン部材に金のプラズモンプローブを配設した場合、３５０℃程度で金とシリコンとで共晶現象を生じて金が変質してしまい、近接場光を効率良く発生することが出来なくなってしまう。従って金とシリコンとの組み合わせは好ましくない。

特許文献２においては、プラズモンプローブの形状、寸法、材料の最適条件を得るとしているが、上記のプラズモンプローブが高温に晒される影響、特にシリコンと金とが共晶を起こすといったプラズモンプローブの変質によるプラズモン増幅の低下が考慮されていない。また、非特許文献１に記載されてあるプラズモン増幅の効果が高いとされる複素誘電率の実部の絶対値が大きく虚部が小さい性質を持つ金属に関して考慮がされていない。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱に強く変質せず、且つプラズモン増幅が十分に大きい近接場光発生器及びプラズモンプローブを提供することである。

上記の課題は、以下の構成により解決される。

１． 光透過部を有する部材と、
前記光透過部に接し、前記光透過部からの入射光によりプラズモンを発生させ、プラズモンを増幅して近接場光として取り出すプラズモンプローブとを備えた近接場光発生器において、
前記プラズモンプローブは、プラズモン増幅が最大となる位置を含み、銀よりイオン化傾向の小さい第１の金属、又は、前記第１の金属を含む合金からなる第１の領域と、
前記第１の領域に接し、前記プラズモンプローブが前記光透過部と接して前記入射光により照射される面積の５０％以上を占め、前記第１の領域をなす金属又は合金より｜ε’／ε’’｜の値が大きい第２の金属、又は、前記第２の金属を含む合金からなる第２の領域と、で構成されていることを特徴とする近接場光発生器。
但し、
ε’：金属の複素誘電率の実部
ε’’：金属の複素誘電率の虚部
２． 前記第１の金属は、金、白金、ロジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、パラジウムの少なくとも１つであることを特徴とする１に記載の近接場光発生器。

３． 前記第２の金属は、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１つであることを特徴とする１又は２に記載の近接場光発生器。

４． 前記第１の領域は、直径１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする１乃至３の何れか一に記載の近接場光発生器。

５． 前記プラズモンプローブは、三角形状であることを特徴とする請求の範囲１乃至４の何れか一項に記載の近接場光発生器。

６． 前記プラズモンプローブは、前記光透過部に埋め込まれていることを特徴とする１乃至５の何れか一項に記載の近接場光発生器。

７． 光の照射によりプラズモンを発生させ、プラズモンを増幅して近接場光として取り出すプラズモンプローブにおいて、
プラズモン増幅が最大となる位置を含み、銀よりイオン化傾向の小さい第１の金属、又は、前記第１の金属を含む合金からなる第１の領域と、
前記第１の領域に接し、前記光が照射される面積の５０％以上を占め、前記第１の領域をなす金属又は合金より｜ε’／ε’’｜の値が大きい第２の金属、又は、前記第２の金属を含む合金からなる第２の領域と、で構成されていることを特徴とするプラズモンプローブ。
但し、
ε’：金属の複素誘電率の実部
ε’’：金属の複素誘電率の虚部
８． 前記第１の金属は、金、白金、ロジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、パラジウムの少なくとも１つであることを特徴とする７に記載のプラズモンプローブ。

９． 前記第２の金属は、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１つであることを特徴とする７又は８に記載のプラズモンプローブ。

１０． 前記第１の領域は、直径１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする７乃至９の何れか一項に記載のプラズモンプローブ。

１１． 前記プラズモンプローブは、三角形状であることを特徴とする７乃至１０の何れか一項に記載のプラズモンプローブ。

本発明によれば、近接場光発生器は、光透過部を有する部材にプラズモンプローブが設けてある。このプラズモンプローブはプラズモン増幅が最大となる位置を含み、銀よりイオン化傾向の小さい第１の金属、又は、第１の金属を含む合金からなる第１の領域と、第１の領域に接し、プラズモンプローブが光透過部と接して入射光により照射される面積の５０％以上を占め、第１の領域をなす金属又は合金より｜ε’／ε’’｜の値が大きい第２の金属、又は、第２の金属を含む合金からなる第２の領域とで構成されている。よって、近接場光発生器は、プラズモン増幅の大きい第２の領域で光がプラズモンに効率よく変換され、生じた自由電子が移動し、酸化しにくい金属からなる第１の領域に自由電子が移動してプラズモン増幅が最も大きくなり強い近接場光を生じる。

従って、熱に強く変質せず、且つプラズモン増幅が十分に大きい近接場光発生器を提供することが出来る。

また、本発明によれば、プラズモンプローブは、プラズモン増幅が最大となる位置を含み、銀よりイオン化傾向の小さい第１の金属、又は、第１の金属を含む合金からなる第１の領域と、第１の領域に接し、光が照射される面積の５０％以上を占め、第１の領域をなす金属又は合金より｜ε’／ε’’｜の値が大きい第２の金属、又は、第２の金属を含む合金からなる第２の領域とで構成されている。よって、プラズモンプローブは、プラズモン増幅の大きい第２の領域で光がプラズモンに効率よく変換され、生じた自由電子が移動し、酸化しにくい金属からなる第１の領域に自由電子が移動してプラズモン増幅が最も大きくなり強い近接場光を生じる。

従って、熱に強く変質せず、且つプラズモン増幅が十分に大きいプラズモンプローブを提供することが出来る。

光アシスト式磁気記録ヘッドを搭載した光記録装置の概略構成の例を示す図である。 光記録ヘッドの構成例を示す図である。 プラズモンプローブが導波路に埋め込まれている例を示す図である。 プラズモンプローブの例を示す図である。 プローブにおける熱伝導状態をシミュレーションした結果を示す図である。 プラズモンプローブの形状の例を示す図である。

符号の説明

１ 筐体
２ ディスク（磁気記録媒体）
３ 光アシスト式磁気ヘッド（光記録ヘッド）
４ サスペンション
５ 支軸
６ トラッキング用アクチュエータ
７ 制御部
１０ 光記録装置（光アシスト式磁気記録装置）
３０ プラズモンプローブ
３２ 導波路（光透過部）
３５ 第１の領域
３７ 第２の領域
３８ 照射面
４０ 磁気記録素子
４１ 磁気再生素子
Ｘ 偏光方向
Ｌ１、Ｌ２ 高さ
ｄ 厚み
Ｐ 先端

本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。以下、本発明に係わる光記録ヘッドに磁気記録素子を有する光アシスト式磁気記録ヘッドとそれを備えた光アシスト式磁気記録装置（以下、光記録装置と称する。）等を図を参照しつつ説明する。尚、各図の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複の説明を適宜省略する。

図１に光アシスト式磁気記録ヘッドを搭載した光記録装置（例えばハードディスク装置）の概略構成例を示す。この光記録装置１０は、以下（１）〜（６）を筐体１の中に備えている。
（１）記録用のディスク（磁気記録媒体）２
（２）支軸５を支点として矢印Ａの方向（トラッキング方向）に回転可能に設けられたサスペンション４
（３）サスペンション４の先端に取り付けられた光アシスト式磁気記録ヘッド３（以下、光記録ヘッド３と称する。）
（４）サスペンション４に取り付けられ、サスペンション４とともにヘッド移動手段を構成するトラッキング用アクチュエータ６
（５）ディスク２を矢印Ｂの方向に回転させる駆動手段であるモータ（図示しない）
（６）トラッキング用アクチュエータ６、モータ及び記録等の制御を行う制御手段である制御部７
光記録装置１０は、光記録ヘッド３がディスク２の上で浮上しながら相対的に移動しうるように構成されている。

図２に光記録ヘッド３の例を、図４にプラズモンプローブの例を示す。光記録ヘッド３は、サスペンション４、光ファイバー１４及び球レンズ１５、半球レンズ１６、シリコンマイクロプリズム１７が取り付けられたシリコンベンチ１３と、導波路３２などを備えたスライダ１１とで構成されている。

シリコンベンチ１３には、光ファイバー１４及び球レンズ１５、半球レンズ１６、シリコンマイクロプリズム１７、サスペンション４が取り付けられている。スライダ１１にはシリコンベンチ１３が接着されている。また、スライダ１１のディスク２に対向する面にはディスク２が回転すると空気流によりディスク２上に浮上するように図示せぬＡＢＳ（Ａｉｒ Ｂｅｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）構造が設けられている。

図示せぬ半導体レーザから照射された近赤外レーザ光（波長１５５０ｎｍ、１３１０ｎｍ等）の光束は、光ファイバー１４の光出射側端面が斜めにカットされているため、光ファイバー１４から右上方に出射する。その後、球レンズ１５に入射する。球レンズ１５は例えば直径０．１５ｍｍ程度のガラス球（ＢＫ７）から成り、光束は球レンズ１５で略コリメートされる。球レンズ１５を通過した光束は、半球レンズ１６に入射する。半球レンズ１６は例えば直径０．０９ｍｍ程度のガラス半球（ＢＫ７）から成り、シリコンベンチ１３と一体化されたシリコンマイクロプリズム１７に接着されている。球レンズ１５から出射した略コリメート光束は、半球レンズ１６で集光された後、シリコンマイクロプリズム１７での全反射により偏向される。シリコンマイクロプリズム１７は頂角が約７０°であり、異方性エッチングにより形成されている。シリコンマイクロプリズム１７で偏向された光束は、直下のシリコンを媒質とする導波路３２に対して集光され、導波路３２との結合が完了する。導波路３２に入射された光束は、導波路３２で導光されディスク２の側に射出される。スライダ１１は本発明の光透過部を有する部材であり、導波路３２は本発明の光透過部である。従って、本実施の形態における近接場光発生器は、スライダ１１と導波路３２とプラズモンプローブ３０とで構成されている。

導波路３２から光束が出射するディスク２側の上にはプラズモンプローブ（以降、プローブとも呼ぶ。）３０が設けられている。プローブ３０に光が照射されるとプラズモンが生じ、このプラズモンが増幅されて強い近接場光が生じる。この近接場光がディスク２に照射されると、照射された部分の温度が一時的に上昇してディスク２の保磁力が低下する。その保磁力の低下した状態の照射部分に対して、磁気記録素子４０により磁気情報の書き込みが行われる。また、ディスク２に書き込んだ磁気情報は磁気再生素子４１で読み出しが行われる。

導波路３２を有するスライダ１１の作製方法を説明する。スライダ１１の基板１９（材料：シリコン等）に磁気再生素子４１を作製した後、平坦化する。次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いてＳｉＯ₂層２０を３μｍ程度成膜し、続いてＳｉ層を３００ｎｍ程度成膜する。その上にレジストを塗布し、電子ビームリソグラフィー（あるいはステッパーを用いたリソグラフィー）により所望の形状となるようにレジストパターンを形成する。次に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いてＳｉ層を加工し、導波路３２を形成する。次に、ＣＶＤを用いてＳｉＯ₂層２４を５μｍ程度成膜した後に平坦化し、磁気記録素子４０を作製する。図２に示すように、ダイシング、ミリング等の加工方法により、所望のスライダ形状（例えば、直方体）に切断加工する。

上記では、導波路３２の材料としてＳｉとしたが、Ｓｉ以外には、例えばＳｉＯ_２（石英）、Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）がある。尚、導波路３２の材料をＳｉから上記の材料の何れかに変更した場合、その材料の屈折率より低い屈折率の材料を適宜選択して上記のＳｉＯ₂層２０、ＳｉＯ₂層２４に相当する層を形成すればよい。

このようにして形成したスライダ１１の導波路３２の片端面の上に、以下で説明する金属のプローブ３０を形成する。例えば、マスク材料としてＣｒ等を導波路３２の端面に蒸着しＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）照射等によりプローブ３０の反転形状のマスクを形成する。この後、プローブ３０の材料として金を蒸着し、マスクをリフトオフして除去する。プローブ３０は導波路３２の表面に形成されてもよいが、図３に示すように導波路３２の表面に埋め込まれた状態が好ましい。導波路３２に埋め込むことで、スライダ１１のディスク２に対向する面の凹凸がなくなり、スライダ１１を浮上させるＡＢＳ構造を構成しやすくなる。導波路３２にプローブ３０を埋め込む場合は、上記で金を蒸着する前にエッチングを行いマスク形状の窪みを形成すればよい。

プローブ３０に関して説明する。図４に導波路３２に埋め込まれた三角形状のプローブ３０の例を示す。図４（ａ）は、プローブ３０をディスク２側から見た状態を示し、図４（ｂ）はプローブ３０を図４（ａ）のＹ−Ｙ’での断面を示している。３８はプローブ３０が導波路３２の端面に接触し、導波路３２から光がプローブ３０に照射される照射面を示す。プローブ３０と導波路３２とを空気を挟むことなく接触させることは、プローブ３０に入射する光の入射角が空気に対する臨界角以上であっても、該光がプローブ３０を照射可能とすることができ、プラズモンを発生させる効率の点から有利である。

図４で示すプローブ３０の大きさは、例として先端Ｐの頂角３０°、底角７５°、高さ（Ｌ１）４００ｎｍの二等辺三角形で厚み（ｄ）は４０ｎｍとし、導波路３２に埋め込まれている。

プローブ３０の照射面３８に矢印で示す偏向方向Ｘの光が照射されると、プローブ３０の照射面３８で光エネルギーは、プラズモンに変換され、生じた自由電子が移動する。この自由電子の移動方向は偏光方向やプローブ３０の形状によるが、図４の例ではプローブ３０の端に沿って先端Ｐに向かって移動する。移動する自由電子は、プローブ３０の幅が狭くなる先端Ｐに集中することで増幅され強い近接場光を生じる。プラズモン増幅が最も大きい位置は、本例では先端Ｐである。この位置は、形状、大きさに基づいてＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）法を用いたシミュレーションで決めることが出来る。

ここで発明者らは、以下に説明するように、プローブ３０を第１の領域の第１の金属と第２の領域の第２の金属とで構成することに着目した。第２の金属は、光エネルギーよりプラズモンを生じ、プローブの形状や偏光方向に従って自由電子が移動して増幅するといった光エネルギーを集める。また、第１の金属は、第２の金属で増幅されたプラズモンが集中するように移動してきた結果強い近接場光を生じる。第１の領域と第２の領域とは自由電子が移動出来るように接続されている。

第１の金属は、自由電子が存在して電子が自由に移動出来れば、必ずしもプラズモンを増幅する必要はなく、また強い近接場光を生じることにより高温に晒されても変質等を生じない熱的に安定した金属で構成する。

一方、第２の金属は、第１の金属と比較して照射される光を効率良くプラズモンに変換して自由電子が移動する金属で構成し、且つ光エネルギーを十分に受けることが出来るようにこの領域が占める面積を大きくする。しかし、強い近接場光を生じないため熱的に安定した金属で構成する必要はない。このようにプローブ３０を第１の領域の第１の金属と第２の領域の第２の金属とで構成することにより、熱に強く変質せず、且つプラズモン増幅を十分に高くすることが出来る。

従って、図４のプローブ３０（高さＬ１＝４００ｎｍ、厚みｄ＝４０ｎｍ）は、第１の領域３５の第１の金属と第２の領域３７の第２の金属とで構成してあり、第１の領域３５（高さＬ２＝１００ｎｍ）の第１の金属は白金、第２の領域３７の第２の金属は金とし、白金と金とは接触している。以下に、第１の金属、第２の金属に関して説明する。

非特許文献１によれば、プラズモンの最大増幅率Ｔ^el _MAXは、次式（１）のように示されている。最大増幅率Ｔ^el _MAXは、照射された光エネルギーがプラズモンに変換され近接場光として取り出される比率を示す数値であり、数値が大きい程効率よく近接場光を取り出すことができる。
Ｔ^el _MAX＝（ε’／（ε’’×Ａ））² （１）
但し、
ε’：プラズモンヘッドを構成する金属の複素誘電率の実部
ε’’：プラズモンヘッドを構成する金属の複素誘電率の虚部
Ａ：金属部分の形状によって決まる定数
尚、金属の複素誘電率εは以下のように表される。
ε＝（ｎ＋ｉｋ）²＝ε’＋ｉε’’
但し、
ε’＝ｎ²−ｋ²
ε’’＝２×ｎ×ｋ
ｎ：金属の複素屈折率実部
ｋ：金属の複素屈折率虚部
ｉ：虚数単位
従って、第２の金属の最大増幅率Ｔ^el _MAXを第１の金属より大きくするには、第２の金属の｜ε’／ε’’｜の値を、第１の金属の｜ε’／ε’’｜の値より大きくする（｜｜は絶対値をあらわす）。

第２の金属は、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも一つであることが好ましい。金（Ａｕ）の｜ε’／ε’’｜は７．９（波長１．５μｍ）で、ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションで求めたプラズモン増幅率は数十倍程度である。ここで、プラズモン増幅率とは、プローブ３０に照射される光エネルギーに対する最も増幅される位置で生じる近接場光として取り出される光エネルギーの比率である。

また、銀（Ａｇ）の｜ε’／ε’’｜は９．４（波長１．５μｍ）、銅（Ｃｕ）の｜ε’／ε’’｜は９．７（波長１．２μｍ）、アルミニウム（Ａｌ）の｜ε’／ε’’｜は４．２（波長１μｍ）で、何れの金属のプラズモン増幅率は２０倍以上となる。

これらの金属はプラズモン増幅率は大きいが、アルミニウム・銅・銀は酸化されやすい。これらの金属をプローブ３０に使用する場合、長期間にわたる酸化を防ぐための保護コーティングを施して防ぐことが出来るが、さらに、第２の金属として使用することで、高温に晒されることがなくなり、より酸化されにくくすることが出来る。従って、より変質し難く、プラズモン増幅が十分に大きいプローブ３０を構成することが出来る。

また金は酸化に強く、上記の様な保護コーティングを施す必要がなく、近赤外に対して高い透過率と屈折率を有することで導波路を形成する上で好ましい材料であるが、シリコンと共晶現象を生じ性質が変化してしまう。しかし、第２の金属として金を使用する場合、高温に晒されることがないため、共晶現象を生じなくすることが出来る。従って、金本来の大きい｜ε’／ε’’｜の値を維持することが出来ることになり、変質し難く、プラズモン増幅が十分に大きいプローブ３０を構成することが出来る。

プローブ３０が導波路３２の光束出射端面と接している照射面３８の面積の内、第２の領域３７が占める面積を、５０％以上とする。表１は、図４で示したプローブ３０のプラズモン増幅率をＦＤＴＤ法で求めたものである。プローブ３０は、これまで説明した大きさ、形状（高さＬ１＝４００ｎｍ、高さＬ２＝１００ｎｍ、先端Ｐの頂角３０°の二等辺三角形、厚みｄ＝４０ｎｍ）で第１の金属は白金、第２の金属は金である。

表１で示すように、最もプラズモン増幅率が大きいと考える金でプローブ３０全体を構成した場合のプラズモン増幅率は２３．３倍となる。第２の金属である金の面積が５０％の場合、表１からプラズモン増幅率は１７．８倍であり、プラズモンプローブ全体が金の場合の２３．３倍に対して７６％である。ここで、ディスク２に記録する際に必要なレーザ光の出力を考えた場合、プラズモン増幅率が金の２３．３倍の７５％以上あれば、プラズモンプローブ全体が金の場合に必要なレーザ光出力の２倍以内に抑えることが出来る。このレーザ光出力は、レーザ光源を大型化することなく十分対応可能な範囲である。

尚、この表１では、第１の金属を白金としている。白金の｜ε’／ε’’｜の値は１以下でありプラズモン増幅にはほとんど寄与していない。このため、白金を他の金属に置き換えても表１におけるプラズモン増幅率の数値への影響はほとんどない。また、第２の金属の金を銀、銅、アルミニウムに置き換えてもプラズモン増幅率はほとんど変わらない。

次に、強い近接場光を生じる第１の金属は、自由電子が存在し熱的、化学的に安定した材料であればよく、必ずしも｜ε’／ε’’｜の値が大きい必要はない。このような第１の金属は、空気中で酸化されにくい銀よりもイオン化傾向の小さい金属、またはこれらを含む合金がよい。これらの金属、合金は他の物質との化学反応も起しにくく高温下でもほとんど変質しない特質を持っている。

銀よりもイオン化傾向の小さい第１の金属は、金、白金、ロジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、パラジウムの少なくとも１つが好ましい。これらの金属の｜ε’／ε’’｜の値は金を除いて１以下であるが、熱的性質や化学的性質が良く、高温に晒されても酸化されにくく、シリコンと共晶現象を生じない。またこれらの金属は熱伝導率が小さく、プローブ３０の先端Ｐ付近で発生する近接場光により生じる熱を周りに伝えにくい。

また、金を含む合金、例えば金−銀、金−銅、金−白金、金−パラジウム、金−ロジウム等が挙げられ、これらはシリコンとの共晶を起しにくく問題なく第２の金属として使用することが出来る。

第１の領域は、直径２０ｎｍ以上、より好ましくは直径１００ｎｍ以上、直径２００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。最も温度が高くなるプローブ３０の部分は、最もプラズモン増幅の大きい部分（近接場光を生じる部分）を含む直径数ｎｍ〜２０ｎｍくらいの範囲内である。この範囲を超えると温度が低下していくため、第１の領域は２０ｎｍ以上の範囲にあることが好ましい。さらに、直径１００ｎｍの範囲を超えると最も高い温度より１０％以上低下する。従って、第１の領域は直径１００ｎｍ以上の範囲にあることが好ましい。尚、ここで直径とはプラズモンプローブの先端Ｐからの距離を示す。

図５は、公知の熱解析ソフトウエアを使用してプローブ３０における熱伝導状態をシミュレーションした結果を示している。シリコンの導波路３２のプローブ３０を１０ｎｍの空気間隔を空けてポリカーボネート製のディスク２と対向させ、プラズモン３０の先端Ｐに０．０１８ｗの熱量を加え、４０ｎｓｅｃ後の温度分布を求めた。プローブ３０の形状、大きさはこれまで図４を用いて説明した内容と同じで、高さＬ１＝４００ｎｍ、高さＬ２＝１００ｎｍ、先端Ｐの頂角３０°の２等辺三角形、厚みｄ＝４０ｎｍとした。また、第１の金属は白金で、第２の金属は金としている。この結果、近接場光が生じる最も高い温度ＴＰは３５０℃、第１の領域３５と第２の領域３７との境界部の温度Ｔ０は３１０℃であり１２％低下している。参考に、プローブ３０における温度分布Ｔ１からＴ３の温度を示すと、Ｔ１＝２５０℃、Ｔ２＝１８０℃、Ｔ３＝１００℃となった。熱により金とシリコンとが反応して共晶現象を生じる温度は３５０℃程度であることから、第２の領域３７を構成する金は、共晶現象を生じないため、金本来の大きいプラズモン増幅率を維持出来る。

一方、第１の領域が直径１００ｎｍを超えて広がり過ぎると、相対的に第２の領域が狭くなる。なぜなら、自由電子の移動可能な距離からプローブ３０の効果的な大きさが制限されるからである。第２の領域３７が狭くなると光エネルギーをプラズモンに変換し、増幅し移動する自由電子が十分に得られなくなり必要な強度の近接場光が得られなくなってしまう。よって、第１の領域３５は直径２００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。

上記の２つの関係より、第１の領域３５は、直径１００ｎｍ以上、直径２００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。

プローブ３０は導波路３２と接し、プローブ３０が熱くなると、導波路３２も熱くなる。そのときに、導波路３２とプローブ３０それぞれをなす材料の熱膨張係数の違いから、熱くなりすぎると接している部分で剥がれが生じる原因となる。プローブ３０を２つの材料にして、熱を逃がしやすくすることにより、剥がれを防ぐという効果もある。

これまでプラズモンプローブの形状は、図４で示した二等辺三角形状としているが、プラズモンプローブの形状は、これに限定されることはなく、例えば、図６（ａ）に示すボウタイ形状や図６（ｂ）に示すようなＣ字のアパーチャ形状等としても良い。図６で示すようにボウタイ形状、アパーチャ形状は、第１の領域３５、第２の領域３７で構成されている。また、これらの場合の最もプラズモン増幅が高くなる位置は、それぞれＰ１、Ｐ２で示している。

また第２の領域３７は、１種類の第２の金属で構成する必要はなく、これまで説明した図４で示す二等辺三角形のプローブ３０を例にすると、例えば先端Ｐから１００ｎｍと３００ｎｍの間は金、それ以降から４００ｎｍまでは銀とする構成としてもよい。

Claims (11)

1. 光透過部を有する部材と、
   前記光透過部に接し、前記光透過部からの入射光によりプラズモンを発生させ、プラズモンを増幅して近接場光として取り出すプラズモンプローブとを備えた近接場光発生器において、
   前記プラズモンプローブは、プラズモン増幅が最大となる位置を含み、銀よりイオン化傾向の小さい第１の金属、又は、前記第１の金属を含む合金からなる第１の領域と、
   前記第１の領域に接し、前記プラズモンプローブが前記光透過部と接して前記入射光により照射される面積の５０％以上を占め、前記第１の領域をなす金属又は合金より｜ε’／ε’’｜の値が大きい第２の金属、又は、前記第２の金属を含む合金からなる第２の領域と、で構成されていることを特徴とする近接場光発生器。
   但し、
   ε’：金属の複素誘電率の実部
   ε’’：金属の複素誘電率の虚部
2. 前記第１の金属は、金、白金、ロジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、パラジウムの少なくとも１つであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接場光発生器。
3. 前記第２の金属は、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１つであることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の近接場光発生器。
4. 前記第１の領域は、直径１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の何れか一項に記載の近接場光発生器。
5. 前記プラズモンプローブは、三角形状であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の何れか一項に記載の近接場光発生器。
6. 前記プラズモンプローブは、前記光透過部に埋め込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項の何れか一項に記載の近接場光発生器。
7. 光の照射によりプラズモンを発生させ、プラズモンを増幅して近接場光として取り出すプラズモンプローブにおいて、
   プラズモン増幅が最大となる位置を含み、銀よりイオン化傾向の小さい第１の金属、又は、前記第１の金属を含む合金からなる第１の領域と、
   前記第１の領域に接し、前記光が照射される面積の５０％以上を占め、前記第１の領域をなす金属又は合金より｜ε’／ε’’｜の値が大きい第２の金属、又は、前記第２の金属を含む合金からなる第２の領域と、で構成されていることを特徴とするプラズモンプローブ。
   但し、
   ε’：金属の複素誘電率の実部
   ε’’：金属の複素誘電率の虚部
8. 前記第１の金属は、金、白金、ロジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、パラジウムの少なくとも１つであることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のプラズモンプローブ。
9. 前記第２の金属は、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１つであることを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に記載のプラズモンプローブ。
10. 前記第１の領域は、直径１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求の範囲第７項乃至第９項の何れか一項に記載のプラズモンプローブ。
11. 前記プラズモンプローブは、三角形状であることを特徴とする請求の範囲第７項乃至第１０項の何れか一項に記載のプラズモンプローブ。