JP4334972B2 - Manufacturing method of three-dimensional periodic structure - Google Patents

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本発明は、三次元周期構造体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional periodic structure.

従来、非特許文献1には、薄皮粒子の周期構造を形成する方法が示されている。この方法は、最初に微粒子によって形成される周期構造を型として用い、粒子間にポリマーを充填した後、最初の粒子を除去して、最初の粒子による周期構造体の逆型を形成し、この逆型を利用して、逆型の内壁にゾルゲル反応(液相反応)により薄皮を形成した後、逆型を除去するという薄皮粒子周期構造(Hollow構造)を作るものである。   Conventionally, Non-Patent Document 1 discloses a method of forming a periodic structure of thin skin particles. This method uses the periodic structure formed by the fine particles as a mold first, and after filling the polymer between the particles, the first particles are removed to form an inverted form of the periodic structure by the first particles. A thin skin particle periodic structure (Hollow structure) is formed in which a thin skin is formed on the inner wall of the reverse mold by a sol-gel reaction (liquid phase reaction) using the reverse mold and then the reverse mold is removed.

また、非特許文献2には、最初にシリカ粒子によって形成される周期構造を形成し、これを型として用い、シリカ粒子の表面に化学的気相成長法(CVD法)により、シリコンを薄皮状に成膜した後、シリカ粒子を除去するという薄皮粒子周期構造を作る方法が示されている。   Further, in Non-Patent Document 2, a periodic structure formed by silica particles is first formed, and this is used as a mold, and the surface of the silica particles is formed into a thin film by chemical vapor deposition (CVD). A method of making a thin skin particle periodic structure in which silica particles are removed after film formation is shown.

また、非特許文献3には、テンプレート基板を用いた微粒子集積体の形成方法が記述されている。   Non-Patent Document 3 describes a method for forming a fine particle assembly using a template substrate.

また、特許文献1は、微粒子を使ったフォトニック結晶とその製造方法に関するもので、微粒子のオパール結晶のテンプレートにナノ粒子を導入し、ナノ粒子からなる構造体を形成した後、最初の微粒子オパール結晶のテンプレートを除去することによって形成する所謂、インバース構造が示されている。   Patent Document 1 relates to a photonic crystal using fine particles and a method for manufacturing the photonic crystal. After introducing nanoparticles into a template of fine opal crystals to form a structure composed of nanoparticles, the first fine particle opal is disclosed. A so-called inverse structure formed by removing a crystalline template is shown.

また、特許文献2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、層状に配列した無機酸化物粒子群が少なくとも3層以上積層していることが示されている。   Patent Document 2 relates to a photonic crystal using the crystal structure of fine particles and a method for producing the photonic crystal, and shows that at least three or more layers of inorganic oxide particles arranged in layers are stacked.

また、特許文献3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。   Patent Document 3 relates to a method for forming a photonic crystal that is compressed after arranging fine particles in a polymer medium.

また、特許文献4は、微粒子を使ってフォトニック結晶を形成する製造方法に関するもので、受け部を有する基板上に球状微粒子の懸濁液を滴下し、荷重を加えることにより、最密充填構造のフォトニック結晶を得ることが示されている。   Patent Document 4 relates to a manufacturing method for forming a photonic crystal using fine particles, and a close-packed structure is formed by dropping a suspension of spherical fine particles on a substrate having a receiving portion and applying a load. It has been shown to obtain a photonic crystal.

また、特許文献5は、外力によってフォトニックバンドギャップが変化可能なフォトニック結晶とその製造方法に関するもので、このフォトニック結晶は、ゲル状の物質内に、複数の気泡が規則的に配列することにより構成されている。   Patent Document 5 relates to a photonic crystal whose photonic band gap can be changed by an external force and a method for manufacturing the photonic crystal. In the photonic crystal, a plurality of bubbles are regularly arranged in a gel-like substance. It is constituted by.

また、特許文献6は、微粒子を使ったフォトニック結晶とその製造方法に関するもので、粒子表面に官能基を表面修飾することにより、静電引力よりも強い化学結合力で強固な3次元構造を有するフォトニック結晶を得ることが示されている。   Patent Document 6 relates to a photonic crystal using fine particles and a method for producing the photonic crystal, and by modifying the surface of the particle with a functional group, a strong three-dimensional structure with a chemical bonding force stronger than electrostatic attraction is obtained. It has been shown to obtain a photonic crystal having.

また、特許文献7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。   Patent Document 7 relates to an opal-like diffractive coloring film having a close-packed structure of fine particles and a method for producing the same.

また、特許文献8は、後工程の焼成の際に消去される微粒子とナノ粒子を含む原料液に基板を垂直あるいは傾斜させて浸漬させて、基板上に粒子を整列させた後、焼成を行い、微粒子を消失させることにより、周期的ポーラス構造を形成する方法に関するものである。   Further, Patent Document 8 discloses that a substrate is immersed in a raw material solution containing fine particles and nanoparticles that are erased during post-process firing so as to be aligned or tilted on the substrate, and then fired. The present invention relates to a method for forming a periodic porous structure by eliminating fine particles.

また、特許文献9,特許文献10は、元の鋳型を利用して、元の鋳型を反転した形状をつくり、フォトニック結晶を形成する方法に関するものである。
Vicki L. Colvin 等の“A Lost−Wax Approach to Monodisperse Colloids and Their Crystals”(SCIENCE VOL291 19 January 2001, 453−457) Yurii A.Vlasov 外3名著,“On−chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals”「Nature」,2001年11月15日,Vol.414, p.289−293 S.M.Yang 外2名著,“Opal Circuits of Light−Planarized Microphotonic Crystal Chips”「Advanced Functional Materials」,2002年6月,Vol.6+7, p.425−431 特開2000−233999号公報 特開2001−42144号公報 特開2001−249234号公報 特開2001−305359号公報 特開2002−098846号公報 特開2002−341161号公報 特許第2905712号(特開平8−234007号公報) 特開2003−2687号公報 特開2001−72414号公報 特許第3376411号(特開2001−91777号公報)
Patent Document 9 and Patent Document 10 relate to a method of forming a photonic crystal by using an original template to create a shape that is an inverted original template.
Vicki L. Colvin et al. “A Lost-Wax Approach to Monodisperse Colloids and Ther Crystals” (SCIENCE VOL291 19 January 2001, 453-457). Yurii A. Vlasov et al., “On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals”, “Nature”, November 15, 2001, Vol. 414, p. 289-293 S. M.M. Yang et al., “Opal Circuits of Light-Planarized Microphotonic Crystal Chips”, “Advanced Functional Materials”, June 2002, Vol. 6 + 7, p. 425-431 JP 2000-233999 A JP 2001-42144 A JP 2001-249234 A JP 2001-305359 A JP 2002-098848 A JP 2002-341161 A Japanese Patent No. 2905712 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-234007) JP 2003-2687 A JP 2001-72414 A Japanese Patent No. 3376411 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-91777)

フォトニック結晶は、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。その最も特徴的なものは、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、その他の波長の光は透過させる(図1を参照)。   A photonic crystal is a material having a periodic structure in which two or more materials having different refractive indexes (one may be air) have spatial symmetry and regularity. Since the photonic crystal has this regular structure / periodic structure, the photonic crystal exhibits characteristics that cannot be obtained by conventional optical materials. The most characteristic one is the expression of photonic band gap (PBG). In the photonic crystal, light having a wavelength corresponding to PBG is not completely transmitted, but light having other wavelengths is transmitted (see FIG. 1).

フォトニック結晶をどの方向からみても、ある波長では、完全に光を通さない特性を有するときに、このフォトニック結晶は、完全フォトニックバンドギャップが形成されているという(図2を参照)。完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶は、完全な光閉じ込め効果が得られることから、応用上、非常に待望されている。しかしながら、実際に完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を得ることは大変困難であり、多くの結晶では、ある方向からは、光を透過させない波長を有していても、別の方向からは、その波長で光を透過させてしまう結晶がほとんどである(図3を参照)。   A photonic crystal has a complete photonic band gap when the photonic crystal has a characteristic that does not allow light to pass through at a certain wavelength from any direction (see FIG. 2). A photonic crystal having a complete photonic band gap is highly anticipated in terms of application because a complete optical confinement effect can be obtained. However, it is very difficult to actually obtain a photonic crystal having a complete photonic band gap. In many crystals, even if it has a wavelength that does not transmit light from one direction, it cannot be obtained from another direction. Most crystals transmit light at that wavelength (see FIG. 3).

フォトニックバンドギャップを完全バンドギャップ化するためには、周期構造の屈折率変調(屈折率の差)が大きいことと、完全バンドギャップ形成に有利な結晶構造を選択することが必要である。ここでは、微粒子のセルフアッセンブリ現象を利用して得られる周期構造体から完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を形成する際に、どのように開発がなされているかを説明する。   In order to make the photonic band gap into a complete band gap, it is necessary to select a crystal structure that has a large refractive index modulation (difference in refractive index) of the periodic structure and is advantageous for forming a complete band gap. Here, it will be described how the photonic crystal having a complete photonic band gap is developed from a periodic structure obtained by utilizing the self-assembly phenomenon of fine particles.

球状の微粒子のセルフアッセンブリ現象により得られる周期構造体は、面心立方構造を有する微粒子の集積体であるが、通常、こうした微粒子集積体は完全フォトニックバンドギャップを有していない。その理由として、フォトニック結晶のように高品位の周期構造を形成するためには、粒子径の分布が非常に良い球状微粒子を使用しなければならないが、現在、このような粒子は、シリカやポリスチレンといった限られた材料でしか得られておらず、こうした微粒子は、必ずしも高屈折率ではないことによる。また、さらには、結晶構造上の問題で、微粒子の面心立方構造配列で完全フォトニックバンドギャップを形成するためには、非常に大きな屈折率変調が必要となり、特に可視域では、通常の材料では、微粒子の面心立方構造配列では完全フォトニックバンドギャップを得ることはできない。このため、特許文献1のように、最初の微粒子集積体の空隙の部分に屈折率の大きな材料で充填した後、微粒子を除去して、微粒子構造体の反転構造(インバース構造、図4を参照)を形成して、完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を得ようとする取り組みがある。インバース構造は、屈折率が3以上の材料を使用することにより、完全フォトニックバンドギャップが形成されることがシミュレーションで予言されているが、完全フォトニックバンドギャップの幅は非常に狭く、結晶の不完全性に敏感で、さまざまな光波長域で、実際に完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を得ることは大変難しい。また、屈折率が3以上という要求は、波長域によっては、なかなか適切な材料がない場合もある。例えば、可視域で高屈折率な材料として知られている酸化チタンも、可視域での屈折率は2.7〜2.8程度で、インバース構造では、完全フォトニックバンドギャップを得ることはできない。そこで、この課題を解決するために、前述したような薄皮の粒子構造の集積体(Hollow構造、図5を参照)が提案されている。   The periodic structure obtained by the self-assembly phenomenon of spherical fine particles is an aggregate of fine particles having a face-centered cubic structure. Usually, such a fine particle aggregate does not have a complete photonic band gap. The reason for this is that in order to form a high-quality periodic structure such as a photonic crystal, it is necessary to use spherical fine particles with a very good particle size distribution. This is because it is obtained only with a limited material such as polystyrene, and such fine particles are not necessarily high in refractive index. Furthermore, due to problems in the crystal structure, in order to form a complete photonic band gap with a face-centered cubic structure arrangement of fine particles, a very large refractive index modulation is required. Thus, a complete photonic band gap cannot be obtained with a face-centered cubic structure array of fine particles. For this reason, as in Patent Document 1, after filling the void portion of the first fine particle aggregate with a material having a large refractive index, the fine particles are removed and the inverted structure of the fine particle structure (inverse structure, see FIG. 4). ) To obtain a photonic crystal having a complete photonic band gap. The inverse structure is predicted by simulation that a complete photonic band gap is formed by using a material having a refractive index of 3 or more. However, the width of the complete photonic band gap is very narrow, It is very difficult to obtain a photonic crystal that is sensitive to imperfections and actually has a complete photonic band gap in various light wavelength ranges. In addition, the requirement for a refractive index of 3 or more may not be readily available depending on the wavelength range. For example, titanium oxide, which is known as a material having a high refractive index in the visible range, has a refractive index in the visible range of about 2.7 to 2.8, and the inverse structure cannot obtain a complete photonic band gap. . Therefore, in order to solve this problem, an aggregate of a thin skin structure as described above (Hollow structure, see FIG. 5) has been proposed.

薄皮粒子構造体のプロセスは、次のようなものである。   The process of the thin skin particle structure is as follows.

すなわち、非特許文献2に示されている方法では、まず、粒子径の揃った球状のシリカ粒子をエタノールに分散させた原料液に基板を立てた状態で浸し、基板表面にシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体を得る(図6を参照)。次に、化学的気相成長法(CVD法)によって、シリカ粒子の表面にシリコンを薄皮状に成膜した後、シリカ粒子を除去することにより、薄皮粒子構造体を形成する(図5を参照)。この方法では、化学的気相成長法(CVD法)を用いることにより、シリカ粒子の薄膜状規則構造集積体から直接、薄皮粒子構造体を形成することができる。この方法であれば、化学的気相成長法(CVD法)の際に、薄皮粒子構造体と基板との一体化を行うことができる。しかしながら、化学的気相成長法で、酸化チタンをはじめとするワイドバンドギャップの金属酸化物材料を粒子の表面に薄皮上でつけることは困難であるため、可視域のPBGを有するフォトニック結晶を形成することは難しい。   That is, in the method disclosed in Non-Patent Document 2, first, a spherical silica particle having a uniform particle diameter is immersed in a raw material liquid dispersed in ethanol in a state where the substrate is erected, and a thin film of silica particles is formed on the substrate surface. A regular structure aggregate is obtained (see FIG. 6). Next, after a silicon thin film is formed on the surface of the silica particles by chemical vapor deposition (CVD), the silica particles are removed to form a thin particle structure (see FIG. 5). ). In this method, a thin skin particle structure can be formed directly from a thin-film regular structure assembly of silica particles by using chemical vapor deposition (CVD). With this method, the thin skin particle structure and the substrate can be integrated in the chemical vapor deposition method (CVD method). However, since it is difficult to apply a wide band gap metal oxide material such as titanium oxide on the surface of the particle by chemical vapor deposition, a photonic crystal having PBG in the visible range is used. It is difficult to form.

一方、非特許文献1に示されている方法では、上記の技術と同様に、まず、粒子径の揃った球状のシリカ粒子をエタノールに分散させた原料液に基板を立てた状態で浸し、基板表面にシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体を得る(図7(a))。次に、粒子間にモノマーを充填し、重合した後(図7(b))、最初の粒子を除去して、ポリマーによるインバース構造を形成して、粒子集積体の逆型とする(図7(c))。この逆型を形成する際に、逆型の材質にpolystyreneを用いる。逆型の空隙にチタンのアルコキシドを充填し、酸化チタンに転じることにより、逆型の内壁に薄皮状の酸化チタンを形成する(図7(d))。この後、polystyreneを除去して、酸化チタンの薄皮粒子構造体を得る(図7(e))。ちなみに、この方法のバリエーションとして、この後、ポリマーの逆型として、poly(methyl methacrylate)(PMMA)を用い、上記と同様に、逆型の空隙にチタンのアルコキシドを充填し、酸化チタンに転じると、polystyreneとPMMAの表面性の違いにより、酸化チタンの粒子集積体構造を得ることができる。   On the other hand, in the method shown in Non-Patent Document 1, as in the above technique, first, the substrate is immersed in a raw material liquid in which spherical silica particles having a uniform particle diameter are dispersed in ethanol, A thin-film regular structure assembly of silica particles is obtained on the surface (FIG. 7A). Next, after the monomers are filled between the particles and polymerized (FIG. 7B), the first particles are removed to form an inverse structure of the polymer, thereby forming the inverse of the particle aggregate (FIG. 7). (C)). When forming the reverse mold, polystyrene is used as the reverse mold material. The reverse type void is filled with titanium alkoxide and turned to titanium oxide to form thin skin-like titanium oxide on the reverse type inner wall (FIG. 7D). Thereafter, the polystyrene is removed to obtain a thin skin particle structure of titanium oxide (FIG. 7 (e)). By the way, as a variation of this method, after that, using poly (methyl methacrylate) (PMMA) as the reverse type of the polymer, and in the same way as above, filling the reverse type void with titanium alkoxide and turning to titanium oxide A particle aggregate structure of titanium oxide can be obtained due to the difference in surface properties between polystyrene and PMMA.

この方法では、薄皮粒子形成の工程に、液相反応を用いているために、ゾルゲル反応などを利用して、ワイドバンドギャップの金属酸化物材の薄皮粒子構造を形成することができるため、可視域のPBGを有するフォトニック結晶を形成できる。しかしながら、この形成方法では、型を用いて、型に他材料を充填した後、型の除去を行うが、その際に、周期構造体と基板がはがれてしまう(図7(e)を参照)。このため、周期構造体をデバイス化のためにパターニングするには、全面に周期構造体を形成した後、周期構造体を基板に貼り付け、この後、エッチングなどによって不必要な領域を除去するしかないが、酸化チタンなどの金属酸化物をエッチングによってパターニングを行うことは一般的に困難である。このため、金属酸化物などのワイドバンドギャップ材料の薄皮粒子構造を基板上でパターニングできる技術が望まれていた。   In this method, since a liquid phase reaction is used in the process of forming the thin skin particles, a sol-gel reaction or the like can be used to form a thin skin particle structure of a wide band gap metal oxide material. A photonic crystal having a PBG in the region can be formed. However, in this forming method, the mold is removed after the mold is filled with other materials, and the periodic structure and the substrate are peeled off at that time (see FIG. 7E). . Therefore, in order to pattern the periodic structure for device formation, after forming the periodic structure on the entire surface, the periodic structure is attached to the substrate, and then unnecessary regions are removed by etching or the like. However, it is generally difficult to pattern metal oxides such as titanium oxide by etching. For this reason, a technique capable of patterning a thin skin particle structure of a wide band gap material such as a metal oxide on a substrate has been desired.

本発明は、金属酸化物などのワイドバンドギャップ材料の薄皮粒子構造体を基板上で一体化して形成することの可能な三次元周期構造体の製造方法を提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide a method for producing a three-dimensional periodic structure capable of integrally forming a thin skin particle structure of a wide band gap material such as a metal oxide on a substrate.

また、本発明は、金属酸化物などのワイドバンドギャップ材料の薄皮粒子構造体を基板上で一体化してパターニングすることの可能な三次元周期構造体の製造方法を提供することを目的としている。   Another object of the present invention is to provide a method for producing a three-dimensional periodic structure capable of patterning by integrating a thin skin particle structure of a wide band gap material such as a metal oxide on a substrate.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、三次元的な周期構造を有する三次元周期構造体の製造方法において、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成する工程と、第1の基板上に形成された薄膜状規則構造集積体を第2の基板ではさみ、第1の基板と第2の基板との間及び薄膜状規則構造集積体の粒子間に第2の材質の前駆液体を充填し、固化して第2の材質に転じる工程と、薄膜状規則構造集積体中の第1の材質の粒子を除去し、第1の基板からの剥離により、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体とする工程と、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置し、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程と、この後、第2の材質の除去と第2の基板の剥離とを行なうことを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method for producing a three-dimensional periodic structure having a three-dimensional periodic structure. Forming a body on the first substrate, and sandwiching the thin-film regular structure assembly formed on the first substrate between the second substrate, the first substrate and the second substrate, and the thin film Filling the precursor liquid of the second material between the particles of the regular ordered structure aggregate, solidifying and turning to the second material; removing the first material particles in the thin regular structure aggregate; The step of forming the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate by peeling from the first substrate, the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate, and the third The substrate is disposed in parallel at a minute distance, and the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate The third material of the precursor liquid filling, the steps to turn in the third material solidifies after this, is characterized by performing the removal of the second material and a release of the second substrate.

また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置する工程においては、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に基板間距離規定材を挟むことを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the first aspect, the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate are made minute. The step of arranging in parallel at a distance is characterized in that an inter-substrate distance defining member is sandwiched between the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate.

また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の三次元周期構造体の製造方法において、基板間距離規定材には単分散粒子が用いられることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the second aspect, monodisperse particles are used as the inter-substrate distance defining material.

また、請求項4記載の発明は、請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成する工程においては、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に任意のパターン形状で形成することを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the first aspect, a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of the first material is formed on the first substrate. In this step, a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of the first material is formed on the first substrate in an arbitrary pattern shape.

また、請求項5記載の発明は、請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第2の材質の表面が親水性であり、且つ、第3の基板の表面が親水性であることを特徴としている。   The invention according to claim 5 is the method for producing a three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the surface of the second material is hydrophilic and the surface of the third substrate is hydrophilic. It is characterized by that.

また、請求項6記載の発明は、請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、第3の材質のナノ粒子が分散した水溶液を充填し、ナノ粒子を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であることを特徴としている。   According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the first aspect, the step of filling the third material precursor liquid, solidifying it and turning to the third material is the third step. This is characterized in that it is a step of filling an aqueous solution in which nanoparticles of the above material are dispersed and depositing the nanoparticles on the inner surface of the thin-film periodic structure and the surface of the third substrate.

また、請求項7記載の発明は、請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、ゾル液を充填させた後、焼成することにより、第3の材質を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であることを特徴としている。   The invention described in claim 7 is the method for producing a three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the step of filling the solid material precursor liquid, solidifying it and turning to the third material is a sol solution. After the filling, the third material is deposited on the inner surface of the thin-film periodic structure and the surface of the third substrate by firing.

請求項1乃至請求項7記載の発明によれば、金属酸化物などのワイドバンドギャップ材料の薄皮粒子構造体を基板上で一体化して形成することができる。また、金属酸化物などのワイドバンドギャップ材料の薄皮粒子構造体を基板上で一体化してパターニングすることができる。
According to the first to seventh aspects of the invention, the thin skin particle structure of a wide band gap material such as a metal oxide can be integrally formed on the substrate. Further, a thin skin particle structure of a wide band gap material such as a metal oxide can be integrated and patterned on a substrate.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

(第1の形態)
本発明の第1の形態は、三次元的な周期構造を有する三次元周期構造体の製造方法において、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成する工程と、第1の基板上に形成された薄膜状規則構造集積体を第2の基板ではさみ、第1の基板と第2の基板との間及び薄膜状規則構造集積体の粒子間に第2の材質の前駆液体を充填し、固化して第2の材質に転じる工程と、薄膜状規則構造集積体中の第1の材質の粒子を除去し、第1の基板からの剥離により、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体とする工程と、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置し、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程と、この後、第2の材質の除去と第2の基板の剥離とを行なうことを特徴としている。
(First form)
According to a first aspect of the present invention, in a method for producing a three-dimensional periodic structure having a three-dimensional periodic structure, a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of a first material is formed on a first substrate. And the thin film-like ordered structure aggregate formed on the first substrate is sandwiched between the first substrate and the second substrate, and particles of the thin-film ordered structure aggregate. A step of filling a precursor liquid of the second material in between, solidifying and turning to the second material, removing particles of the first material in the thin-film regular structure assembly, and peeling from the first substrate The step of forming the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate at a minute distance The precursor liquid of the third material is placed between the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate. It Hama, the steps to turn in the third material solidifies after this, is characterized by performing the removal of the second material and a release of the second substrate.

図8は第1の形態の三次元周期構造体の製造方法を説明するための図である。   FIG. 8 is a diagram for explaining a manufacturing method of the three-dimensional periodic structure according to the first embodiment.

図8を参照すると、まず、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成した後(図8(a))、第1の基板上に形成された薄膜状規則構造集積体を第2の基板ではさみ、第1の基板と第2の基板の間及び薄膜状規則構造集積体の粒子間に第2の材質の前駆液体を充填し、固化して第2の材質に転じる(図8(b))。この後、薄膜状規則構造集積体中の第1の材質の粒子を除去し、第1の基板からの剥離を行い、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体とする(図8(c))。次に、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置し、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第2の材質に転じる(図8(d))。最後に、第2の材質の除去と第2の基板の剥離とを行なうことにより、第3の基板上に固定された第3の材質の薄皮粒子構造体を得ることができる(図8(e))。   Referring to FIG. 8, first, a thin-film regular structure assembly of spherical monodisperse particles made of a first material is formed on a first substrate (FIG. 8A), and then formed on the first substrate. The thin film-like ordered structure assembly is sandwiched between the second substrates, and the precursor liquid of the second material is filled between the first substrate and the second substrate and between the particles of the thin-film ordered structure integration, and solidified. Then, it turns to the second material (FIG. 8B). Thereafter, the particles of the first material in the thin-film regular structure assembly are removed, and peeling from the first substrate is performed to form a thin-film periodic structure of the second material on the second substrate ( FIG. 8 (c)). Next, the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate are arranged in parallel at a minute distance, and the thin film-like period of the second material on the second substrate is arranged. A precursor liquid of the third material is filled between the structure and the third substrate, and then solidified and turned into the second material (FIG. 8D). Finally, by removing the second material and peeling the second substrate, a thin-particle structure of the third material fixed on the third substrate can be obtained (FIG. 8 (e)). )).

このように、第1の形態では、第1の基板上に形成した球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体の逆型を、第2の基板に中間転写し、さらに、この逆型を用いて、薄皮粒子構造体を形成する際に、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置して、第3の材質の前駆液体を充填、固化することにより、第3の基板との空隙にも第3の材質が充填されることになり、第3の基板上に固定された三次元周期構造体(薄皮粒子構造体)を得ることが可能になる。   Thus, in the first embodiment, the reverse type of the thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles formed on the first substrate is intermediately transferred to the second substrate, and this reverse type is used. Then, when forming the thin skin particle structure, the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate are arranged in parallel at a minute distance, and the third material By filling and solidifying the precursor liquid, the third material is also filled in the gap between the third substrate and the three-dimensional periodic structure (thin skin particle structure) fixed on the third substrate. Body).

(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態の三次元周期構造体の製造方法において、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置する工程においては、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に基板間距離規定材を挟むことを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the first aspect, the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate is separated from the third substrate by a minute distance. In the step of arranging in parallel, the inter-substrate distance defining member is sandwiched between the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate.

第2の形態では、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置する工程においては、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に基板間距離規定材を挟むことにより、第2の基板と第3の基板とを微小な距離で、平行に配置することが可能となる。   In the second embodiment, in the step of arranging the thin film-like periodic structure of the second material on the second substrate and the third substrate in parallel at a minute distance, the second material on the second substrate. By interposing the inter-substrate distance defining material between the thin-film periodic structure of the material and the third substrate, the second substrate and the third substrate can be arranged in parallel at a minute distance. It becomes.

(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第2の形態の三次元周期構造体の製造方法において、基板間距離規定材には単分散粒子が用いられることを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the method for producing a three-dimensional periodic structure according to the second aspect, monodisperse particles are used as the inter-substrate distance defining material.

第3の形態では、基板間距離規定材に単分散粒子を使用するため、第2の基板と第3の基板との距離が微小で、かつ、平行な配置を容易に実現することが可能となる。   In the third embodiment, since monodisperse particles are used for the inter-substrate distance defining material, the distance between the second substrate and the third substrate is minute, and a parallel arrangement can be easily realized. Become.

(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第1の形態の三次元周期構造体の製造方法において、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成する工程においては、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に任意のパターン形状で形成することを特徴としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the first aspect, a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of the first material is formed on a first substrate. The process is characterized in that a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of the first material is formed in an arbitrary pattern shape on the first substrate.

すなわち、第4の形態では、第3の材質の形成に液相プロセスを利用し、三次元周期構造体を基板上で固定するために、中間転写プロセスを使用しているので、第3の基板上で固定され、かつ、任意のパターン形状で形成された三次元周期構造体(薄皮粒子構造体)を得ることが可能になる。   That is, in the fourth embodiment, the liquid phase process is used to form the third material, and the intermediate transfer process is used to fix the three-dimensional periodic structure on the substrate. It is possible to obtain a three-dimensional periodic structure (thin skin particle structure) fixed in the above and formed in an arbitrary pattern shape.

(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第1の形態の三次元周期構造体の製造方法において、第2の材質の表面が親水性であり、且つ、第3の基板の表面が親水性であることを特徴としている。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the first aspect, the surface of the second material is hydrophilic and the surface of the third substrate is hydrophilic. It is characterized by.

第5の形態では、第2の材質の固化後の表面が親水性となる材料を第2の材質として選択することと、第3の基板の表面が親水性であることとにより、液相プロセスを利用して、第3の基板上に固定された薄皮粒子構造体を得ることが可能になる。   In the fifth embodiment, a liquid phase process is performed by selecting, as the second material, a material in which the solidified surface of the second material is hydrophilic and the surface of the third substrate is hydrophilic. Using this, it is possible to obtain a thin skin particle structure fixed on the third substrate.

(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第1の形態の三次元周期構造体の製造方法において、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、第3の材質のナノ粒子が分散した水溶液を充填し、ナノ粒子を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であることを特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing the three-dimensional periodic structure according to the first aspect, the step of filling the solid precursor liquid of the third material and solidifying it into the third material is the third step. It is characterized in that it is a step of filling an aqueous solution in which nanoparticles of material are dispersed and depositing the nanoparticles on the inner surface of the thin-film periodic structure and the surface of the third substrate.

第6の形態では、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、第3の材質のナノ粒子が分散した水溶液を充填し、ナノ粒子を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であるので、第3の材質に使用する素材の選択肢を広げることができる。   In the sixth embodiment, the step of filling the precursor liquid of the third material, solidifying and turning to the third material is filled with the aqueous solution in which the nanoparticles of the third material are dispersed, Since it is a step of depositing on the inner surface of the structure and the surface of the third substrate, the choice of materials used for the third material can be expanded.

(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第1の形態の三次元周期構造体の製造方法において、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、ゾル液を充填させた後、焼成することにより、第3の材質を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であることを特徴としている。
(7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing the three-dimensional periodic structure according to the first aspect, the step of filling the third material precursor liquid, solidifying it, and turning to the third material, After filling, firing is performed to deposit a third material on the inner surface of the thin-film periodic structure and the surface of the third substrate.

第7の形態では、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、ゾル液を充填させた後、焼成することにより、第3の材質を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であるので、第3の材質に使用する素材の選択肢を広げることができる。   In the seventh embodiment, the step of filling the third material precursor liquid, solidifying and turning to the third material is performed by filling the sol solution and then baking the third material to form a thin film cycle. Since it is a step of depositing on the inner surface of the structure and the surface of the third substrate, the choice of materials used for the third material can be expanded.

実施例1は、第1,第2,第3,第5,第7の形態に対応した実施例である。図9は実施例1の三次元周期構造体の製造方法を説明するための図である。   Example 1 is an example corresponding to the first, second, third, fifth, and seventh modes. FIG. 9 is a diagram for explaining the method of manufacturing the three-dimensional periodic structure according to the first embodiment.

実施例1では、まず、粒径300nmの球形状単分散シリカ粒子(第1の材質の粒子)をエタノール分散媒中に4wt%で分散させた原料液に、良く洗浄したガラス基板(第1の基板)を、図6に示すがごとく、基板を立てた状態で浸す。原料液が満たされた容器は、エタノールの蒸発の促進と、原料液中でのシリカ粒子が沈殿するの防止するため、40℃に設定されたホットプレートの上に置く。この状態で、4日間置くことにより、ガラス基板の表面にシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体が得られる(図9(a))。   In Example 1, first, a well-cleaned glass substrate (first film) was prepared in a raw material liquid in which spherical monodispersed silica particles (particles of the first material) having a particle size of 300 nm were dispersed in ethanol dispersion medium at 4 wt%. As shown in FIG. 6, the substrate is dipped in the upright state. The container filled with the raw material liquid is placed on a hot plate set at 40 ° C. in order to promote the evaporation of ethanol and prevent the silica particles in the raw material liquid from precipitating. By placing in this state for 4 days, a thin-film regular structure assembly of silica particles is obtained on the surface of the glass substrate (FIG. 9A).

次に、ガラス基板の表面に形成されたシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体を、フッ酸処理したシリコン基板(第2の基板)ではさみ、スチレン(styrene)と重合開始剤(2,2−Dimethoxy−2−phenylacetophenone)の混合液を、ガラス基板とシリコン基板との間に注入する。注入された混合液は毛細管現象により、良好にシリカ粒子薄膜状規則構造集積体の粒子間に入り込んでいく。この後、UV光を5時間照射して、混合液をポリスチレン(polystyrene、第2の材質)へと転じる(図9(b))。   Next, the silica particle thin-film regular structure assembly formed on the surface of the glass substrate is sandwiched between a hydrofluoric acid-treated silicon substrate (second substrate), styrene and a polymerization initiator (2, 2- A mixed solution of dimethyl-2-phenylacetophenone) is injected between the glass substrate and the silicon substrate. The injected mixed solution is favorably penetrated between the particles of the ordered structure of silica particle thin film by capillary action. Then, UV light is irradiated for 5 hours, and a liquid mixture turns into a polystyrene (polystyrene, 2nd material) (FIG.9 (b)).

この後、以上の工程でできた構成物をフッ酸溶液に5時間浸漬し、シリカ粒子の粒子を除去し、構造体をガラス基板から剥離する。この工程の結果、シリコン基板上にポリスチレンの薄膜状周期構造体が得られる(図9(c))。   Thereafter, the composition formed in the above steps is immersed in a hydrofluoric acid solution for 5 hours to remove silica particles, and the structure is peeled from the glass substrate. As a result of this step, a polystyrene thin-film periodic structure is obtained on the silicon substrate (FIG. 9C).

次に、シリコン基板上のポリスチレンの薄膜状周期構造体とガラス基板(第3の基板)とを距離2μmにて平行に配置する。これを良好に行うためには、あらかじめ、上記ガラス基板の表面,周辺部位に、距離を定めるためのスペーサとして、粒子径2μmの粒子を付着させておく。   Next, a polystyrene thin-film periodic structure on a silicon substrate and a glass substrate (third substrate) are arranged in parallel at a distance of 2 μm. In order to satisfactorily perform this, particles having a particle diameter of 2 μm are adhered in advance to the surface and peripheral portions of the glass substrate as spacers for determining the distance.

この後、シリコン基板上のポリスチレンの薄膜状周期構造体とガラス基板との間にチタンアルコキシドを注入する。注入されたチタンアルコキシドは、毛細管現象により、良好にポリスチレンの薄膜状周期構造体中の細孔に入り込んでいく。この後、120℃,1時間の仮焼成を行う。チタンアルコキシドの注入と仮焼成は計5回行う(図9(d))。以上の工程の後、500度,3時間の焼成を行う。この工程により、ポリスチレンはほとんど消失してしまうが、最後に、THF浸漬により、リンスを行い、ポリスチレンの残留物を除去し、ガラス基板上に固定された酸化チタンの薄皮粒子構造体を得ることができる(図9(e))。   Then, titanium alkoxide is injected between the polystyrene thin film periodic structure on the silicon substrate and the glass substrate. The injected titanium alkoxide enters the pores in the polystyrene thin-film periodic structure satisfactorily by capillary action. Thereafter, pre-baking is performed at 120 ° C. for 1 hour. Titanium alkoxide is injected and pre-baked five times in total (FIG. 9 (d)). After the above steps, firing is performed at 500 degrees for 3 hours. By this process, polystyrene is almost disappeared, but finally, by rinsing with THF, the polystyrene residue is removed to obtain a thin skin particle structure of titanium oxide fixed on the glass substrate. (FIG. 9 (e)).

実施例2は第1,第2,第3,第4,第5,第7の形態に対応した実施例である。図10は実施例2の三次元周期構造体の製造方法を説明するための図である。   Example 2 is an example corresponding to the first, second, third, fourth, fifth and seventh modes. FIG. 10 is a diagram for explaining the method of manufacturing the three-dimensional periodic structure according to the second embodiment.

実施例2で使用する原料液には、実施例1と同様の液を使用する。   As the raw material liquid used in Example 2, the same liquid as in Example 1 is used.

実施例2では、ガラス基板上にポリマーがパターニングされた基板を用いる。この基板を形成する方法については、非特許文献3に記述されている、通常、MIMIC(Micromolding inside Microcapillaries)と呼ばれる方法によって形成する。   In Example 2, a substrate obtained by patterning a polymer on a glass substrate is used. About the method of forming this substrate, it is formed by a method generally described in Non-Patent Document 3, called MIMIC (Micromolding inside Microcapillaries).

この基板を図6と同様に、基板を立てた状態で、原料液が満たされた容器に浸す。この容器は、エタノールの蒸発の促進と、原料液中でのシリカ粒子が沈殿するのを防止するため、40℃に設定されたホットプレートの上に置く。この状態で、4日間置くことにより、ガラス基板上のパターニングにより形成された溝の領域にシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体を得る(図10(a))。次に、この基板上に形成されたシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体をフッ酸処理したシリコン基板(第2の基板)ではさみ、スチレン(styrene)と重合開始剤(2,2−Dimethoxy−2−phenylacetophenone)の混合液を、ガラス基板とシリコン基板との間に注入する。注入された混合液は毛細管現象により、良好にシリカ粒子薄膜状規則構造集積体の粒子間に入り込んでいく。この後、UV光を5時間照射して、混合液をポリスチレン(polystyrene、第2の材質)へと転じる(図10(b))。   Similar to FIG. 6, the substrate is immersed in a container filled with the raw material liquid in a state where the substrate is erected. This container is placed on a hot plate set at 40 ° C. in order to promote the evaporation of ethanol and prevent the silica particles in the raw material liquid from precipitating. By placing in this state for 4 days, a thin-film regular structure assembly of silica particles is obtained in the region of the groove formed by patterning on the glass substrate (FIG. 10A). Next, the thin film-like ordered structure aggregate of silica particles formed on this substrate is sandwiched with a silicon substrate (second substrate) treated with hydrofluoric acid, and styrene and a polymerization initiator (2,2-dimoxy- 2-phenylacetophenone) is injected between the glass substrate and the silicon substrate. The injected mixed solution is favorably penetrated between the particles of the ordered structure of silica particle thin film by capillary action. Then, UV light is irradiated for 5 hours, and a liquid mixture turns into a polystyrene (polystyrene, 2nd material) (FIG.10 (b)).

この後、以上の工程でできた構成物をフッ酸溶液に5時間浸漬し、シリカ粒子の粒子を除去し、構造体をガラス基板から剥離する。この工程の結果、シリコン基板上にポリスチレンの薄膜状周期構造体が得られる(図10(c))。   Thereafter, the composition formed in the above steps is immersed in a hydrofluoric acid solution for 5 hours to remove silica particles, and the structure is peeled from the glass substrate. As a result of this step, a polystyrene thin-film periodic structure is obtained on the silicon substrate (FIG. 10C).

次に、シリコン基板上のポリスチレンの薄膜状周期構造体とガラス基板(第3の基板)とを距離2μmにて平行に配置する。これを良好に行うためには、あらかじめ、上記ガラス基板の表面,周辺部位に、距離を定めるためのスペーサとして、粒子径2μmの粒子を付着させておく。   Next, a polystyrene thin-film periodic structure on a silicon substrate and a glass substrate (third substrate) are arranged in parallel at a distance of 2 μm. In order to satisfactorily perform this, particles having a particle diameter of 2 μm are adhered in advance to the surface and peripheral portions of the glass substrate as spacers for determining the distance.

この後、シリコン基板上のポリスチレンの薄膜状周期構造体とガラス基板との間にチタンアルコキシドを注入する。注入されたチタンアルコキシドは、毛細管現象により、良好にポリスチレンの薄膜状周期構造体中の細孔に入り込んでいく。この後、120℃,1時間の仮焼成を行う。チタンアルコキシドの注入と仮焼成は計5回行う(図10(d))。以上の工程の後、500度,3時間の焼成を行う。この工程により、型のポリスチレンと最初にパターニングのために使用していたポリマーはほとんど消失してしまうが、最後に、THF浸漬により、リンスを行い、残留物を除去し、ガラス基板上にパターニングされた酸化チタンの薄皮粒子構造体を得ることができる(図10(e))。   Then, titanium alkoxide is injected between the polystyrene thin film periodic structure on the silicon substrate and the glass substrate. The injected titanium alkoxide enters the pores in the polystyrene thin-film periodic structure satisfactorily by capillary action. Thereafter, pre-baking is performed at 120 ° C. for 1 hour. Titanium alkoxide is injected and temporarily fired five times (FIG. 10D). After the above steps, firing is performed at 500 degrees for 3 hours. This process almost eliminates the mold polystyrene and the polymer that was originally used for patterning, but finally, it is rinsed with THF so that the residue is removed and patterned on the glass substrate. Further, a thin skin particle structure of titanium oxide can be obtained (FIG. 10 (e)).

以上の説明から明らかなように、酸化チタンの薄皮粒子構造体の基板上での固定化が、薄皮粒子構造体のパターニングを可能にした要因である。   As is clear from the above description, the fixation of the thin skin particle structure of titanium oxide on the substrate is the factor that enabled the patterning of the thin skin particle structure.

実施例3は、第1,第2,第3,第5,第6の形態に対応した実施例である。図11は実施例3の三次元周期構造体の製造方法を説明するための図である。   Example 3 is an example corresponding to the first, second, third, fifth and sixth modes. FIG. 11 is a diagram for explaining the method of manufacturing the three-dimensional periodic structure according to the third embodiment.

実施例3で使用する原料液と第1の基板には、実施例1と同様のものを使用する。さらに、粒子径5nm以下の酸化チタンナノ粒子をエタノールに分散させた酸化チタン・ナノ粒子溶液を用意する。   The raw material liquid and the first substrate used in Example 3 are the same as those in Example 1. Further, a titanium oxide nanoparticle solution in which titanium oxide nanoparticles having a particle diameter of 5 nm or less are dispersed in ethanol is prepared.

実施例3では、まず、実施例1と同様の方法により、ガラス基板(第1の基板)上にシリカ粒子の薄膜状規則構造集積体を得る(図11(a))。次に、実施例1と同様の方法により、ガラス基板上のシリカ粒子薄膜状規則構造集積体を、フッ酸処理したシリコン基板(第2の基板)ではさみ、スチレン(styrene)と重合開始剤(2,2−Dimethoxy−2−phenylacetophenone)の混合液を、ガラス基板とシリコン基板との間に注入し、UV光の照射を行うことにより、混合液をポリスチレン(polystyrene、第2の材質)へと転じる(図11(b))。この後、実施例1と同様の方法により、シリカ粒子の粒子を除去し、構造体をガラス基板から剥離し、シリコン基板上にポリスチレンの薄膜状周期構造体を得ることができる(図11(c))。次に、実施例1と同様の方法により、粒子径2μmの粒子を用いて、シリコン基板上のポリスチレンの薄膜状周期構造体とガラス基板(第3の基板)とを距離2μmにて平行に配置し、シリコン基板上のポリスチレンの薄膜状周期構造体とガラス基板との間に酸化チタンナノ粒子溶液を注入し、90℃,1時間の処理により、エタノールを蒸発させる。酸化チタンナノ粒子溶液の注入と加熱処理は計3回行う(図11(d))。以上の工程の後、500度,3時間の焼成を行う。この工程により、ポリスチレンはほとんど消失してしまうが、最後に、THF浸漬により、リンスを行い、ポリスチレンの残留物を除去し、ガラス基板上に固定された酸化チタンの薄皮粒子構造体を得ることができる(図11(e))。   In Example 3, first, a thin-film regular structure assembly of silica particles is obtained on a glass substrate (first substrate) by the same method as in Example 1 (FIG. 11A). Next, in the same manner as in Example 1, the silica particle thin-film regular structure assembly on the glass substrate was sandwiched between the hydrofluoric acid-treated silicon substrate (second substrate), styrene and the polymerization initiator ( 2,2-Dimethyl-2-phenylacetophenone) is injected between a glass substrate and a silicon substrate, and irradiated with UV light, whereby the mixture is converted into polystyrene (polystyrene, second material). It turns (FIG. 11 (b)). Thereafter, the silica particles are removed by the same method as in Example 1, and the structure is peeled from the glass substrate to obtain a polystyrene thin-film periodic structure on the silicon substrate (FIG. 11 (c). )). Next, in the same manner as in Example 1, using polystyrene particles having a particle diameter of 2 μm, a polystyrene thin-film periodic structure on a silicon substrate and a glass substrate (third substrate) are arranged in parallel at a distance of 2 μm. Then, a titanium oxide nanoparticle solution is injected between the polystyrene thin film periodic structure on the silicon substrate and the glass substrate, and ethanol is evaporated by treatment at 90 ° C. for 1 hour. The injection of the titanium oxide nanoparticle solution and the heat treatment are performed three times in total (FIG. 11 (d)). After the above steps, firing is performed at 500 degrees for 3 hours. By this process, polystyrene is almost disappeared, but finally, by rinsing with THF, the polystyrene residue is removed to obtain a thin skin particle structure of titanium oxide fixed on the glass substrate. (FIG. 11 (e)).

なお、上述の実施例では、第1の材質にシリカ、第2の材質にポリスチレン、第3の材質に酸化チタン、第1の基板にガラス基板、第2の基板にシリコン基板、第3の基板にガラス基板を用いているが、本発明は、この材料に限定されるものではない。各材質に要求される点は以下のとおりである。   In the above embodiment, the first material is silica, the second material is polystyrene, the third material is titanium oxide, the first substrate is a glass substrate, the second substrate is a silicon substrate, and the third substrate. Although a glass substrate is used for the present invention, the present invention is not limited to this material. The points required for each material are as follows.

先ず、第1の材質に要求される点は、単分散粒子が得られるという点と、後工程での除去が可能であるという点である。   First, the points required for the first material are that monodisperse particles can be obtained and that they can be removed in a later step.

また、第2の材質に要求される点は、固化する前の前駆状態が液体であり、固化した後の表面が親水性であるという点である。   The point required for the second material is that the precursor state before solidification is liquid, and the surface after solidification is hydrophilic.

また、第3の材質に要求される点は、固化する前の前駆状態が液体であり、固化する際に、均一な薄膜形成が可能な材料であるという点である。一般的に、実施例で示したようなアルコキシドからの形成が可能な金属酸化物やナノ粒子が適用可能である。   Further, the point required for the third material is that the precursor state before solidification is liquid, and a material capable of forming a uniform thin film upon solidification. In general, metal oxides and nanoparticles that can be formed from alkoxides as shown in the examples are applicable.

また、第1の基板に要求される点は、この上で、粒子の集積を行うので、第1の材質を分散させた原料液の分散媒に対して、濡れ性が良好なことが望まれる。   In addition, the point required for the first substrate is that the particles are accumulated on this, so that good wettability is desired for the dispersion medium of the raw material liquid in which the first material is dispersed. .

また、第2の基板に要求される点は、中間転写基板なので、第1の材質の除去工程で、基板剥離が生じない材質であるという点である。   In addition, since the second substrate is required to be an intermediate transfer substrate, the second substrate is a material that does not cause substrate peeling in the first material removing step.

また、第3の基板に要求される点は、親水性であるという点と、第2の材質の除去工程で、剥離や消失が生じない材質であるという点である。   The third substrate is required to be hydrophilic and to be a material that does not peel or disappear in the second material removal step.

本発明は、光学部品、及び、光集積回路などのように、三次元周期構造体を応用したフォトニック結晶が利用できる分野等に適用可能である。
The present invention is applicable to a field where a photonic crystal using a three-dimensional periodic structure can be used, such as an optical component and an optical integrated circuit.

フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the light transmission spectrum of a photonic crystal. フォトニック結晶の光透過スペクトル(完全フォトニックバンドギャップを形成する場合)を示す図である。It is a figure which shows the light transmission spectrum (when a complete photonic band gap is formed) of a photonic crystal. フォトニック結晶の光透過スペクトル(完全フォトニックバンドギャップを形成しない場合)を示す図である。It is a figure which shows the light transmission spectrum (when a complete photonic band gap is not formed) of a photonic crystal. インバース構造を示す図である。It is a figure which shows an inverse structure. 薄皮粒子構造(Hollow構造)を示す図である。It is a figure which shows a thin skin particle structure (Hollow structure). シリカ粒子の薄膜状規則構造集積体の形成方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the formation method of the thin film-like regular structure integration body of a silica particle. 液相プロセスを利用した薄皮粒子構造体の形成プロセス(本発明が解決しようとしている課題)を示す図である。It is a figure which shows the formation process (issue which this invention is going to solve) of the thin-skin particle structure using a liquid phase process. 本発明の三次元周期構造体の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the three-dimensional periodic structure of this invention. 実施例1を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining Example 1; 実施例2を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a second embodiment. 実施例3を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining Example 3;

Claims (7)

三次元的な周期構造を有する三次元周期構造体の製造方法において、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成する工程と、第1の基板上に形成された薄膜状規則構造集積体を第2の基板ではさみ、第1の基板と第2の基板との間及び薄膜状規則構造集積体の粒子間に第2の材質の前駆液体を充填し、固化して第2の材質に転じる工程と、薄膜状規則構造集積体中の第1の材質の粒子を除去し、第1の基板からの剥離により、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体とする工程と、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置し、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程と、この後、第2の材質の除去と第2の基板の剥離とを行なうことを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 In the method for producing a three-dimensional periodic structure having a three-dimensional periodic structure, a step of forming a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of a first material on a first substrate; The thin film-like ordered structure assembly formed on the substrate is sandwiched between the second substrates, and the precursor liquid of the second material is interposed between the first substrate and the second substrate and between the particles of the thin-film ordered structure assembly. And solidifying and turning to the second material, removing the particles of the first material in the thin-film regular structure assembly, and removing the first material from the first substrate, thereby removing the second material on the second substrate. The thin film-like periodic structure of the second material, the thin-film periodic structure of the second material on the second substrate, and the third substrate are arranged in parallel at a minute distance, and the second A precursor liquid of the third material is filled between the thin film-like periodic structure of the second material on the substrate and the third substrate, and solidified by third solidification. A step to turn on the quality, then this method of manufacturing a three-dimensional periodic structure and performs the removal of the second material and a release of the second substrate. 請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板とを微小な距離にて平行に配置する工程においては、第2の基板上の第2の材質の薄膜状周期構造体と第3の基板との間に基板間距離規定材を挟むことを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 The method of manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the second material thin film-like periodic structure on the second substrate and the third substrate are arranged in parallel at a minute distance. A method for producing a three-dimensional periodic structure, characterized in that an inter-substrate distance defining material is sandwiched between a thin film-like periodic structure of a second material on a second substrate and a third substrate. 請求項2記載の三次元周期構造体の製造方法において、基板間距離規定材には単分散粒子が用いられることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 3. The method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 2, wherein monodisperse particles are used as the inter-substrate distance defining material. 請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に形成する工程においては、第1の材質からなる球状単分散粒子の薄膜状規則構造集積体を第1の基板上に任意のパターン形状で形成することを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 2. The method for producing a three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein in the step of forming a thin-film regular structure aggregate of spherical monodisperse particles made of the first material on the first substrate, the first material is used. A method for producing a three-dimensional periodic structure, comprising: forming a thin-film regular structure assembly of spherical monodisperse particles in an arbitrary pattern shape on a first substrate. 請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第2の材質の表面が親水性であり、且つ、第3の基板の表面が親水性であることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 2. The three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the surface of the second material is hydrophilic and the surface of the third substrate is hydrophilic. Manufacturing method. 請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、第3の材質のナノ粒子が分散した水溶液を充填し、ナノ粒子を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 The method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the step of filling the precursor liquid of the third material, solidifying and turning to the third material includes an aqueous solution in which nanoparticles of the third material are dispersed. A method for producing a three-dimensional periodic structure, comprising filling and depositing nanoparticles on the inner surface of the thin-film periodic structure and the surface of the third substrate. 請求項1記載の三次元周期構造体の製造方法において、第3の材質の前駆液体を充填し、固化して第3の材質に転じる工程は、ゾル液を充填させた後、焼成することにより、第3の材質を薄膜状周期構造体の内部表面および第3の基板の表面に堆積させる工程であることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 The method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the step of filling the precursor liquid of the third material, solidifying and turning to the third material is performed by filling the sol solution and then baking. A method for producing a three-dimensional periodic structure, comprising the step of depositing a third material on the inner surface of the thin-film periodic structure and the surface of the third substrate.
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