JP4500663B2 - 三次元周期構造体及びデバイス - Google Patents
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Description
特許文献1(特開2003−2687号公報)には、焼成時に焼失可能な微粒子とこの微粒子よりも粒径の小さいナノサイズ粒子とが混じった懸濁溶液に浸漬して基板上に微粒子を配列させると同時に微粒子間にナノサイズ粒子を充填させて、基板上に微粒子とナノサイズ粒子との粒子膜を形成した後、この粒子膜を焼成することにより微粒子を焼失させてインバース構造を形成する方法が開示されている。
特許文献2(特開2004−46224号公報)には、特許文献1に記載の方法により形成したインバース構造に、光異性化を起こす化合物とネマチック液晶との混合物を充填することにより、所望波長の光の反射のON/OFFを光でスイッチングすることができるようにした光応答型液晶入りフォトニック結晶が開示されている。
特許文献3(特開2004−93461号公報)には、ポリスチレン・インバース・オパール構造体の各球状空間の表面に反応物を装飾して形成した屈折率センサが開示されている。
特許文献4(特開2004−98414号公報)には、インバース・オパール構造体の表面をフッ素コーティングすることにより得られる構造性発色特性と超撥水性特性との両方を兼ね備えた装飾材料が開示されている。
特許文献5(特表2004−511828号公報)には、加工が施された基板上の狙った領域に所望のオパール結晶を成長させることにより、結晶の厚み、構造、面積、トポロジー、配向及びレジストリの3次元方向制御に関する技術が開示されており、さらには、上記のオパール結晶を元型としたインバース・オパール構造についても開示されている。
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。
しかしながら、上記で説明した技術は、フォトリソなどによる微細加工技術をベースにしているため、三次元フォトニック結晶へ適用させることは難しい。
以上のように、三次元フォトニック結晶に欠陥を導入し、且つ、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、提示されていない。
しかしながら、本発明者らが従来技術を調査した結果、薄皮粒子集合構造体において、導入された欠陥の欠陥ボリュームを自在に制御する技術は存在していなかった。
より詳しく述べると、本発明の第1の目的は、周期構造体の規則性を乱すことなく欠陥を導入し、欠陥ボリュームを制御した三次元周期構造体を提供することである。
本発明の第2の目的は、欠陥ボリュームの異なる二つ以上の欠陥を全体の規則性を乱すことなく、同時に周期構造体中に導入した三次元周期構造体を提供することである。
本発明の第3の目的は、周期構造体に導入された欠陥の欠陥ボリュームが制御された構造の三次元周期構造体を導波路や共振器などのデバイスに利用することである。
本発明の第4の目的は、周期構造体の基本構造が有する周期長よりも長周期の周期構造を周期構造体に導入し、長周期構造により引き起こされる効果・特性を利用することである。
本発明の第1の手段は、内部に空隙を有する第1の材質からなる球状薄皮粒子が三次元的に規則配列されてなる三次元周期構造体において、任意の球状薄皮粒子内に第1の材質とは異なる第2の材質が満たされており、前記第2の材質は、芯となる粒子を構成する第2の1の材質と、該芯粒子を皮状に包んでいる外殻を構成する第2の2の材質から構成されており、前記第2の2の材質はジルコニアまたはチタニアであることを特徴とする(請求項1)。
また、本発明の第2の手段は、第1の手段の三次元周期構造体において、前記第2の1の材質の芯粒子は球形状であることを特徴とする(請求項2)。
また、本発明の第4の手段は、第1または第2の手段の三次元周期構造体において、三次元周期構造体中の球状空間に前記第2の材質が充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、任意の第2の材質の箇所間において芯粒子の材質が異なっているか、外殻の材質が異なっていることを特徴とする(請求項4)。
また、本発明の第6の手段は、第5の手段の三次元周期構造体において、三次元周期構造体中の球状空間に第2の材質が充填されている箇所の配置パターンが、該三次元周期構造体中で、空間的な対称構造を有していることを特徴とする(請求項6)。
さらに本発明の第7の手段は、デバイスであって、第1乃至第6のいずれか一つの手段の三次元周期構造体を用いたことを特徴とする(請求項7)。
また、前記第2の材質は、芯となる粒子を構成する第2の1の材質と、該芯粒子を皮状に包んでいる外殻を構成する第2の2の材質から構成されているため、三次元周期構造全体からみた第2の材質の箇所の実効的な屈折率を自在に制御することができることになり、導入する欠陥の欠陥ボリュームを実効的に変化・制御することが可能となる。
さらに第2の手段の三次元周期構造体は、第1の手段の構成に加え、前記第2の1の材質の芯粒子は球形状であることことにより、三次元周期構造の規則性を乱すことなく、導入する欠陥の欠陥ボリュームを実効的に変化・制御することが可能となる。
また、第4の手段の三次元周期構造体は、第1または第2の手段の構成に加え、三次元周期構造体中の球状空間に前記第2の材質が充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、任意の第2の材質の箇所間において芯粒子の材質が異なっているか、外殻の材質が異なっていることにより、三次元周期構造体中に欠陥ボリュームの異なる複数の欠陥を導入することができる。以上のような三次元周期構造体は、フォトニック結晶として利用する場合に、異なった波長の利用が可能となり、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。
また、第6の手段の三次元周期構造体は、第5の手段の構成に加え、三次元周期構造体中の球状空間に第2の材質が充填されている箇所の配置パターンが、該三次元周期構造体中で、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を利用したデバイスや光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。
さらに第7の手段のデバイスは、第1乃至第6のいずれか一つの手段の三次元周期構造体を用いたことにより、導波路や光共振器、光分配器などの種々のデバイスとして利用することが可能となる。
第1の実施例では、本発明の第1〜第3の手段を実施した例について説明を行う。
まず、図2(a),(b)に示すように、第1の微粒子11として、粒径360nmの球形状単分散シリカ粒子を、第2の微粒子12として、粒径300nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面にジルコニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を用意する。
なお、ここで述べる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、微粒子を1個ごと、あるいは、複数の微粒子からなるブロックを狙った位置に持っていき配置する。
第2の実施例では、本発明の第1〜第4の手段を実施した例について説明を行う。
まず、図8(a)〜(c)に示すように、第1の微粒子11として、粒径360nmの球形状単分散シリカ粒子を、第2の1の微粒子12−1として、芯となる粒径300nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるジルコニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、第2の2の微粒子12−2として、芯となる粒径300nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるチタニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、それぞれ用意する。
第3の実施例では、本発明の第1〜3の手段及び第5の手段を実施した例について説明を行う。
図11(a)〜(c)に示すように、第1の微粒子11として、粒径360nmの球形状単分散シリカ粒子を、第2の1の微粒子12−1として、芯となる粒径280nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるチタニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、第2の2の微粒子12−2として、芯となる粒径320nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるチタニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、それぞれ用意する。
本実施例の三次元周期構造体の欠陥層を上方から見ると、図12に示すように、薄皮粒子集合構造体中の内部空隙(球状空間)3の任意の箇所に欠陥層となる第2の1の微粒子12−1(芯の材質:アルミナ、外殻の材質:チタニア)と第2の2の微粒子12−2(芯の材質:アルミナ、外殻の材質:チタニア)が導入されている。
第4の実施例では、本発明の第1〜4の手段及び第6の手段を実施した例について説明を行う。
図13(a)〜(d)に示すように、第1の微粒子11として、粒径360nmの球形状単分散シリカ粒子を、第2の1の微粒子12−1として、芯となる粒径320nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるチタニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、第2の2の微粒子12−2として、芯となる粒径280nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるチタニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、第2の3の微粒子12−3として、芯となる粒径240nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面に外殻となるチタニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を、それぞれ用意する。
第5の実施例では、本発明の第1〜3の手段及び第7の手段を実施した例について説明を行う。
本実施例では、実施例1と同様の微粒子を用いており、図2(a),(b)に示すように、第1の微粒子11として、粒径360nmの球形状単分散シリカ粒子を、第2の微粒子12として、粒径300nmの球形状単分散アルミナ粒子の表面にジルコニアをコートして粒径360nmとした球形状単分散粒子を用意する。
2−1:第2の1の材質
2−2:第2の2の材質
3:内部空隙(球状空間)
11:第1の微粒子
12:第2の微粒子
12−1:第2の1の微粒子
12−2:第2の2の微粒子
12−3:第2の3の微粒子
21:第1の基板
22:第2の基板
23:微粒子構造体
24:ギャップ材
25:原料液容器
26:カバー
27:原料液
28:スターラー
Claims (7)
- 内部に空隙を有する第1の材質からなる球状薄皮粒子が三次元的に規則配列されてなる三次元周期構造体において、
任意の球状薄皮粒子内に第1の材質とは異なる第2の材質が満たされており、前記第2の材質は、芯となる粒子を構成する第2の1の材質と、該芯粒子を皮状に包んでいる外殻を構成する第2の2の材質から構成されており、前記第2の2の材質はジルコニアまたはチタニアであることを特徴とする三次元周期構造体。 - 請求項1記載の三次元周期構造体において、
前記第2の1の材質の芯粒子は球形状であることを特徴とする三次元周期構造体。 - 請求項1または2記載の三次元周期構造体において、
三次元周期構造体中の球状空間に前記第2の材質が充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、任意の第2の材質の箇所間における第2の1の材質の芯粒子の大きさが異なっていることを特徴とする三次元周期構造体。 - 請求項1または2記載の三次元周期構造体において、
三次元周期構造体中の球状空間に前記第2の材質が充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、任意の第2の材質の箇所間において芯粒子の材質が異なっているか、外殻の材質が異なっていることを特徴とする三次元周期構造体。 - 請求項1乃至4のいずれか一つに記載の三次元周期構造体において、
三次元周期構造体中の球状空間に前記第2の材質が充填されている箇所の配置パターンが、該三次元周期構造体中で、二次元的もしくは三次元的な任意のパターンとなっていることを特徴とする三次元周期構造体。 - 請求項5記載の三次元周期構造体において、
三次元周期構造体中の球状空間に前記第2の材質が充填されている箇所の配置パターンが、該三次元周期構造体中で、空間的な対称構造を有していることを特徴とする三次元周期構造体。 - 請求項1乃至6のいずれか一つに記載の三次元周期構造体を用いたことを特徴とするデバイス。
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