JP5688794B2 - Method and apparatus for producing nanomaterial array structure - Google Patents
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Description
本発明は、ナノ物質の配列を制御するための分野に関する。 The present invention relates to the field of controlling the alignment of nanomaterials.
2つのナノ物質が光の波長以下のスケールまで近接した系に光が照射された場合、それらのナノ物質の各々に、その光による分極が生じる。光誘起分極した2つのナノ物質間の相互作用によって、当該物質間に引力あるいは斥力が生じる。具体的には、光の電場の振動方向、すなわち偏光の方向が2つの物質の配列方向に平行である場合、2つの物質間に引力が働く。一方、偏光の方向が2つの物質の配列方向と垂直である場合には、2つの物質間に斥力が働く。これが物質間光誘起力の基本的なメカニズムである。 When light is irradiated to a system in which two nanomaterials are close to a scale below the wavelength of light, each of the nanomaterials is polarized by the light. The interaction between the two nanomaterials that are light-induced polarization causes attraction or repulsion between the materials. Specifically, when the vibration direction of the electric field of light, that is, the direction of polarization is parallel to the arrangement direction of the two substances, an attractive force acts between the two substances. On the other hand, when the direction of polarization is perpendicular to the arrangement direction of the two substances, a repulsive force acts between the two substances. This is the basic mechanism of the photoinduced force between substances.
このようなメカニズムを用いたナノ物質の操作方法が、たとえば特表2006−027863号公報(特許文献1)に開示される。特許文献1によれば、複数のナノ物質からなるナノ物質集団に、当該ナノ物質の電子的励起準位に共鳴する光が照射される。上記方法によれば、その光の偏光方向を変化させることによってナノ物質間に作用する引力または斥力が、ナノ物質の操作に利用される。 A method for manipulating nanomaterials using such a mechanism is disclosed in, for example, JP-T-2006-027863 (Patent Document 1). According to Patent Document 1, a nanomaterial group composed of a plurality of nanomaterials is irradiated with light that resonates with the electronic excitation level of the nanomaterial. According to the above method, the attractive force or repulsive force acting between the nanomaterials by changing the polarization direction of the light is used for the manipulation of the nanomaterials.
原子間に生じる斥力および引力のバランスによって、結晶の構造は様々である。同様に、光誘起力によってナノ物質間に生じる引力および斥力を利用することによって、様々な構造を有するナノ物質の複合体を作り出すことができると期待される。これにより、新たな機能を有するナノ物質複合体を作製することも期待できる。 Depending on the balance between repulsive force and attractive force generated between atoms, the crystal structure varies. Similarly, it is expected that composites of nanomaterials having various structures can be created by utilizing attractive and repulsive forces generated between nanomaterials by light-induced forces. Thereby, it can also be expected to produce a nanomaterial composite having a new function.
特許文献1には、ナノ物質を操作するための偏光として、上下(垂直)方向に偏光した光および水平方向に偏光した光が開示されている。すなわち特許文献1では、一方向に偏光した光を用いたナノ物質の操作方法が開示される。しかしながら、ナノ複合材料の構造の多様化を実現するためには、上記の偏光以外の光もナノ複合材料の生成に利用可能であることが好ましい。 Patent Document 1 discloses light polarized in the vertical (vertical) direction and light polarized in the horizontal direction as polarized light for manipulating the nanomaterial. That is, Patent Document 1 discloses a method for manipulating nanomaterials using light polarized in one direction. However, in order to realize diversification of the structure of the nanocomposite material, it is preferable that light other than the above-described polarized light can also be used for producing the nanocomposite material.
本発明の目的は、複数のナノ物質の配列を制御する技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique for controlling the arrangement of a plurality of nanomaterials.
本発明の一局面によれば、ナノ物質の配列制御方法は、複数のナノ物質を含むナノ物質集団を準備するステップと、光軸に対して対称に偏光した軸対称偏光をナノ物質集団に照射することによって複数のナノ物質に光誘起力を生じさせ、それにより、複数のナノ物質を配列するステップとを備える。 According to one aspect of the present invention, a nanomaterial array control method includes: preparing a nanomaterial population including a plurality of nanomaterials; and irradiating the nanomaterial population with axially symmetric polarized light that is polarized symmetrically with respect to an optical axis. Generating a photo-induced force in the plurality of nanomaterials, thereby arranging the plurality of nanomaterials.
好ましくは、複数のナノ物質を配列するステップは、光誘起力を制御するために軸対称偏光のスポット径を制御するステップを含む。 Preferably, the step of arranging the plurality of nanomaterials includes a step of controlling a spot diameter of the axially symmetric polarized light in order to control the photoinduced force.
好ましくは、ナノ物質の配列制御方法は、基板を準備するステップをさらに備える。複数のナノ物質を配列するステップは、基板上に複数のナノ物質を配列するステップを含む
。
Preferably, the nanomaterial arrangement control method further includes a step of preparing a substrate. Arranging the plurality of nanomaterials includes arranging a plurality of nanomaterials on the substrate.
本発明の他の局面によれば、ナノ物質の配列制御装置は、複数のナノ物質に光誘起力を生じさせるために、光軸に対して対称に偏光した軸対称偏光を、複数のナノ物質を含むナノ物質集団に照射する光源と、光誘起力によって複数のナノ物質が配列されるように、軸対称偏光を制御する制御部とを備える。 According to another aspect of the present invention, an apparatus for controlling the arrangement of nanomaterials generates a plurality of nanomaterials with axially symmetric polarized light that is polarized symmetrically with respect to the optical axis in order to generate photoinduced force in the plurality of nanomaterials. A light source for irradiating a nanomaterial group including a control unit that controls axially symmetric polarized light so that a plurality of nanomaterials are arranged by light-induced force.
好ましくは、制御部は、光誘起力を制御するために軸対称偏光のスポット径を制御する。 Preferably, the control unit controls the spot diameter of the axially symmetric polarized light in order to control the light induced force.
好ましくは、制御部は、基板上に複数のナノ物質を配列する。
本発明のさらに他の局面によれば、ナノ物質配列構造体の製造方法は、複数のナノ物質を含むナノ物質集団を準備するステップと、光軸に対して対称に偏光した軸対称偏光をナノ物質集団に照射することによって複数のナノ物質に光誘起力を生じさせ、それにより、複数のナノ物質を配列するステップとを備える。
Preferably, the control unit arranges a plurality of nanomaterials on the substrate.
According to still another aspect of the present invention, a method of manufacturing a nanomaterial array structure includes a step of preparing a nanomaterial population including a plurality of nanomaterials, and nanosymmetrically polarized light that is polarized symmetrically with respect to an optical axis. Irradiating the group of materials to generate a photo-induced force in the plurality of nanomaterials, thereby arranging the plurality of nanomaterials.
好ましくは、複数のナノ物質を配列するステップは、光誘起力を制御するために軸対称偏光のスポット径を制御するステップを含む。 Preferably, the step of arranging the plurality of nanomaterials includes a step of controlling a spot diameter of the axially symmetric polarized light in order to control the photoinduced force.
好ましくは、製造方法は、軸対称偏光によって配列された複数のナノ物質を固定するステップをさらに備える。 Preferably, the manufacturing method further includes a step of fixing a plurality of nanomaterials arranged by axisymmetric polarization.
本発明のさらに他の局面によれば、ナノ物質配列構造体の製造装置は、複数のナノ物質に光誘起力を生じさせるために、光軸に対して対称に偏光した軸対称偏光を、複数のナノ物質を含むナノ物質集団に照射する光源と、光誘起力によって複数のナノ物質が配列されるように、軸対称偏光を制御する制御部とを備える。 According to still another aspect of the present invention, the apparatus for manufacturing a nanomaterial array structure includes a plurality of axially symmetric polarizations that are polarized symmetrically with respect to the optical axis in order to generate a photo-induced force in the plurality of nanomaterials. A light source that irradiates a nanomaterial group including the nanomaterial, and a control unit that controls axisymmetric polarization so that a plurality of nanomaterials are arranged by light-induced force.
好ましくは、制御部は、光誘起力を制御するために軸対称偏光のスポット径を制御する。 Preferably, the control unit controls the spot diameter of the axially symmetric polarized light in order to control the light induced force.
好ましくは、制御部は、軸対称偏光によって配列された複数のナノ物質を固定する。
本発明のさらに他の局面によれば、ナノ物質の配列模擬方法は、複数のナノ物質の初期条件を設定するステップと、複数のナノ物質の配列を制御するための軸対称偏光の条件を設定するステップと、複数のナノ物質に照射される軸対称偏光によって複数のナノ物質に生じる光誘起力に基づいて、複数のナノ物質の配列を模擬するステップとを備える。
Preferably, the controller fixes a plurality of nanomaterials arranged with axially symmetric polarization.
According to still another aspect of the present invention, a method for simulating the arrangement of nanomaterials sets an initial condition of a plurality of nanomaterials, and sets a condition for axially symmetric polarization for controlling the arrangement of the plurality of nanomaterials And a step of simulating the arrangement of the plurality of nanomaterials based on the photo-induced force generated in the plurality of nanomaterials by the axially symmetric polarized light applied to the plurality of nanomaterials.
好ましくは、模擬するステップは、軸対称偏光のスポット径を変更するステップを含む。 Preferably, the step of simulating includes a step of changing a spot diameter of the axially symmetric polarized light.
本発明のさらに他の局面によれば、ナノ物質の配列模擬装置は、複数のナノ物質の初期条件を設定する第1の設定部と、複数のナノ物質の配列を制御するための軸対称偏光の条件を設定する第2の設定部と、複数のナノ物質に照射される軸対称偏光によって複数のナノ物質に生じる光誘起力に基づいて、複数のナノ物質の配列を模擬する配列模擬部とを備える。 According to still another aspect of the present invention, an apparatus for simulating the arrangement of nanomaterials includes a first setting unit for setting initial conditions of a plurality of nanomaterials, and an axially symmetric polarization for controlling the arrangement of the plurality of nanomaterials. A second setting unit for setting the conditions of the above, an array simulation unit for simulating the array of the plurality of nanomaterials based on the photo-induced force generated in the plurality of nanomaterials by the axially symmetric polarized light irradiated to the plurality of nanomaterials, Is provided.
好ましくは、模擬部は、軸対称偏光のスポット径を変更する。
好ましくは、軸対称偏光は、単一のナノ物質の共鳴エネルギーよりも低いエネルギーを有する光である。
Preferably, the simulation unit changes the spot diameter of the axially symmetric polarized light.
Preferably, the axially symmetric polarization is light having an energy lower than the resonance energy of a single nanomaterial.
好ましくは、軸対称偏光は、単一のナノ物質の共鳴エネルギーよりも高いエネルギーを
有する光である。
Preferably, the axially symmetric polarization is light having an energy higher than the resonance energy of a single nanomaterial.
好ましくは、複数のナノ物質は、自由空間および流動性媒質のいずれかに存在する。
好ましくは、軸対称偏光は、ラジアル偏光である。
Preferably, the plurality of nanomaterials are present in either free space or a flowable medium.
Preferably, the axially symmetric polarized light is radial polarized light.
好ましくは、軸対称偏光は、アジミュサル偏光である。
好ましくは、ナノ粒子は、金属ナノ粒子である。
Preferably, the axially symmetric polarized light is azimuth polarized light.
Preferably, the nanoparticles are metal nanoparticles.
本発明によれば、ナノ物質の配列構造を多様化するための技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique for diversifying the arrangement | sequence structure of a nanomaterial can be provided.
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
本発明およびその実施の形態において、「ナノ物質」は、ナノメートルのオーダーのサイズを有する粒子、構造体等を含む。「ナノメートルのオーダー」とは1から数百ナノメートルの範囲を含み、典型的には1〜100nmの範囲である。本発明の実施の形態によれば、1〜100nmのサイズを有するナノ物質において、光の共鳴現象が生じた場合にナノ物質に作用する力を、光の共鳴現象がない場合における力の102〜105倍に増強できる。 In the present invention and its embodiments, “nanomaterial” includes particles, structures, etc. having a size on the order of nanometers. “Nanometer order” includes the range of 1 to several hundred nanometers, typically in the range of 1 to 100 nm. According to the embodiment of the present invention, in a nanomaterial having a size of 1 to 100 nm, the force acting on the nanomaterial when a light resonance phenomenon occurs is equal to 10 2 of the force when there is no light resonance phenomenon. -10 to 5- fold increase.
本発明およびその実施の形態において、「光応答性のナノ物質」とは、光の照射によって大きな光誘起分極が生じるナノ物質を意味する。光応答性のナノ物質は、有機高分子、半導体量子ドット、金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ等を含むがこれに限定されるものではない。光誘起分極とは、物質中の電子の運動が光によって励起されることにより生じる物質の電気分極である。以下では、光応答性のナノ物質の一つの例示的形態として金属ナノ構造体が説明される。 In the present invention and its embodiments, the “photoresponsive nanomaterial” means a nanomaterial in which a large light-induced polarization is caused by light irradiation. Photoresponsive nanomaterials include, but are not limited to, organic polymers, semiconductor quantum dots, metal nanoparticles, carbon nanotubes, and the like. Light-induced polarization is an electrical polarization of a substance that is caused by the movement of electrons in the substance being excited by light. In the following, metal nanostructures will be described as one exemplary form of photoresponsive nanomaterial.
本発明およびその実施の形態において、「光誘起力」とは、散逸力、勾配力および物質間光誘起力の総称として用いられる。散逸力とは、光散乱あるいは光吸収といった散逸的過程において、光の運動量が物質に与えられることによって発生する力である。勾配力は、光誘起分極が生じた物質が不均一な電磁場の中に置かれた場合に、電磁気学的なポテンシャルの安定点に物質を移動させる力である。物質間光誘起力とは、光励起された複数の物質中の誘起分極から生じる縦電場による力と横電場(輻射場)による力との和である。光周波数および励起光の特性(偏光、位相など)によって、複数の物質間に生じる力を斥力と引力との間で切換えることができる。 In the present invention and its embodiments, “photo-induced force” is used as a general term for dissipative force, gradient force, and inter-material photo-induced force. A dissipative force is a force generated by imparting momentum of light to a substance in a dissipative process such as light scattering or light absorption. The gradient force is a force that moves a substance to a stable point of an electromagnetic potential when the substance in which light-induced polarization occurs is placed in a non-uniform electromagnetic field. The inter-substance photo-induced force is the sum of a force caused by a longitudinal electric field and a force caused by a transverse electric field (radiation field) generated from induced polarization in a plurality of photo-excited substances. Depending on the optical frequency and the characteristics of the excitation light (polarized light, phase, etc.), the force generated between a plurality of substances can be switched between repulsive force and attractive force.
本発明およびその実施の形態において、「共鳴光」とは、ナノ物質への入射によって、ナノ物質に光誘起分極を生じさせる光を意味する。典型的には、共鳴光は、ナノ物質の電子的励起準位に共鳴する光である。 In the present invention and its embodiments, “resonant light” means light that causes light-induced polarization in a nanomaterial upon incidence on the nanomaterial. Typically, the resonant light is light that resonates with the electronic excitation level of the nanomaterial.
本発明およびその実施の形態において、「偏光」との用語は、光電磁波の伝播方向に垂直な電場ベクトルを意味する。 In the present invention and its embodiments, the term “polarized light” means an electric field vector perpendicular to the propagation direction of the optical electromagnetic wave.
本発明およびその実施の形態において、「軸対称偏光」とは、光軸に対して軸対称に偏光した光を意味する。なお、「光軸」を光の伝播方向と読み代えることもできる。 In the present invention and its embodiments, “axially symmetric polarized light” means light polarized in an axially symmetric manner with respect to the optical axis. The “optical axis” may be read as the light propagation direction.
本発明およびその実施の形態において、「ナノ物質集団」との用語は、少なくとも2つのナノ物質を含む系を意味する。本発明では、「ナノ物質集団」は、共鳴光の照射によって相互作用を及ぼすように集合する複数のナノ物質の集団を含む。 In the present invention and its embodiments, the term “nanomaterial population” means a system comprising at least two nanomaterials. In the present invention, the “nanomaterial population” includes a population of a plurality of nanomaterials that gather to interact by irradiation with resonance light.
本発明およびその実施の形態において、「ナノ物質配列構造体」との用語は、少なくとも2つのナノ物質が光波長以下の間隔で配置されることによって形成された構造体を意味する。 In the present invention and its embodiments, the term “nanomaterial array structure” means a structure formed by disposing at least two nanomaterials at intervals of less than or equal to the light wavelength.
本発明およびその実施の形態において、「媒質」とはナノ物質の存在する環境を意味する。ナノ物質が自由に移動可能な環境であれば媒質の種類は特に限定されるものではない。また、媒質は物質に限定されるものではなく、本発明およびその実施の形態では、真空も「媒質」として含むことができる。したがって、本発明およびその実施の形態において、ナノ物質は自由空間に存在してもよいし、流動性媒質中に存在してもよい。流動性媒質は、たとえば液体である。以下の説明においては、ナノ物質集団は液体中に存在するものとする。 In the present invention and its embodiments, “medium” means an environment in which nanomaterials exist. The type of medium is not particularly limited as long as the nanomaterial can move freely. The medium is not limited to a substance, and in the present invention and its embodiments, a vacuum can also be included as a “medium”. Therefore, in the present invention and its embodiments, nanomaterials may exist in free space or in a flowable medium. The fluid medium is, for example, a liquid. In the following description, it is assumed that the nanomaterial population exists in a liquid.
この明細書において、「エネルギー」と「周波数(または角周波数)」とは相互に読み替え可能である。量子力学によれば、エネルギーEと角周波数ωとの間には、E=h/2π×ω(hはプランク定数)との関係が成立する。さらに、角周波数ωと周波数fとはω=2πfの関係にある。したがってこの明細書において「エネルギー」と「周波数(または角周波数)」とは相互に読み替え可能である。 In this specification, “energy” and “frequency (or angular frequency)” are interchangeable. According to quantum mechanics, a relationship of E = h / 2π × ω (h is Planck's constant) is established between the energy E and the angular frequency ω. Further, the angular frequency ω and the frequency f have a relationship of ω = 2πf. Therefore, in this specification, “energy” and “frequency (or angular frequency)” are interchangeable.
なお、以下においては周波数fと角周波数ωとを区別する必要がない限り、「周波数」との用語は、周波数fおよび角周波数ωの両方を包含するものとする。また、波長λは周
波数fの逆数であるので、この関係に従って「エネルギー」と「波長」とを相互に読み替えることもできる。
In the following description, the term “frequency” includes both the frequency f and the angular frequency ω unless it is necessary to distinguish between the frequency f and the angular frequency ω. In addition, since the wavelength λ is the reciprocal of the frequency f, “energy” and “wavelength” can be interchanged according to this relationship.
ナノ物質集団が存在する環境の温度は、たとえば常温(298K)である。ただし環境温度は、常温以下であってもよい。環境温度を低下させることにより、ナノ物質集団が存在する環境内における、ナノ物質への熱的影響、典型的には、熱運動する分子によるブラウン運動などを低減できる。 The temperature of the environment where the nanomaterial group exists is, for example, room temperature (298K). However, the environmental temperature may be normal temperature or less. By reducing the environmental temperature, it is possible to reduce the thermal influence on the nanomaterial in the environment where the nanomaterial population exists, typically the Brownian motion by the thermally moving molecules.
<金属ナノ構造体に印加される光誘起力>
金属ナノ構造体は球状セルであると仮定する。この場合、応答光電場は、Maxwell方程式の積分形として表現できる。電場Eiは以下の式(1)に従って表わされる。
<Photo-induced force applied to metal nanostructure>
Assume that the metal nanostructure is a spherical cell. In this case, the response photoelectric field can be expressed as an integral form of the Maxwell equation. The electric field E i is expressed according to the following equation (1).
i,jは球状セルの粒子番号である。M,Lは自己相互作用に関連する量である。
個々の金属構造体の内部での感受率および電場分布は平坦であるとする。誘起分極Piは以下の式(2)に従って表わされる。
i and j are the particle numbers of the spherical cells. M and L are quantities related to self-interaction.
It is assumed that the susceptibility and electric field distribution inside each metal structure are flat. The induced polarization Pi is expressed according to the following formula (2).
感受率χにはDrudeモデルが適用される。感受率χは以下の式(3)に従って表わされる。 A Drude model is applied to the susceptibility χ. The susceptibility χ is expressed according to the following equation (3).
χbは背景の感受率を表わし、ωpはプラズマエネルギーを表わし、γは非輻射緩和定数を示し、Vfはフェルミ面上における電子速度を示す。非輻射緩和定数は光から光以外(たとえば熱)への緩和を示す値である。 χ b represents the background susceptibility, ω p represents the plasma energy, γ represents the non-radiative relaxation constant, and V f represents the electron velocity on the Fermi surface. The non-radiative relaxation constant is a value indicating relaxation from light to other than light (for example, heat).
一方、光誘起力は、以下の式(4)によって一般的に表わされる(T. Iida and H. Ishihara, Phys. Rev. B 77, 245319 (2008) )。 On the other hand, the photoinduced force is generally expressed by the following formula (4) (T. Iida and H. Ishihara, Phys. Rev. B 77, 245319 (2008)).
上記式(2)および式(3)に従ってそれぞれ表わされる誘起分極Piおよび応答電場Eiが式(4)に代入される。これにより、光誘起力は以下の式(5)に従って表わされる。 Induced polarization P i and response electric field E i expressed according to the above equations (2) and (3) are substituted into equation (4). Thereby, the photo-induced force is expressed according to the following formula (5).
GはGreen関数を表わす。
式(5)の右辺の第1項は入射光による光誘起力すなわち勾配力を表わし、第2項は物質間光誘起力を表わす。入射光による勾配力は光強度勾配に比例する。一方、物質間光誘起力は光強度に比例する。このため、入射光のスポット径を調整することによって光強度勾配と物質間光誘起力との間のバランスを調整することができる。
G represents the Green function.
The first term on the right side of Equation (5) represents the light-induced force or gradient force caused by incident light, and the second term represents the inter-material light-induced force. The gradient force due to incident light is proportional to the light intensity gradient. On the other hand, the inter-substance light-induced force is proportional to the light intensity. For this reason, the balance between the light intensity gradient and the inter-substance light-induced force can be adjusted by adjusting the spot diameter of the incident light.
次に、単一粒子モデルを仮定する。この場合、共鳴光照射下での分極や光誘起力の本質を議論するために背景の感受率χb=0とすると、分極Pは、以下の式(6)に従って表わされる(後の実施形態では、背景の感受率χbには、非ゼロである有限の値が用いられる)。 Next, a single particle model is assumed. In this case, assuming that the background susceptibility χ b = 0 in order to discuss the essence of polarization and photo-induced force under irradiation with resonant light, the polarization P is expressed according to the following equation (6) (later embodiments) Then, a non-zero finite value is used for the background susceptibility χ b ).
(−S(R)(ω,a))は局在表面プラズモン(LSP)の共鳴周波数を示す。ωp 2S(I)(ω,a)は輻射緩和率を示す。輻射緩和率は、局在表面プラズモンが光に戻るときの緩和力を示す定数である。ここでS=(M−L/K2)であり、粒子のサイズが小さいときにはS(R)はほぼ−1/3となる。 (−S (R) (ω, a)) represents the resonance frequency of the localized surface plasmon (LSP). ω p 2 S (I) (ω, a) represents a radiation relaxation rate. The radiation relaxation rate is a constant indicating the relaxation force when the localized surface plasmon returns to light. Here, S = (ML / K 2 ), and when the particle size is small, S (R) is approximately −1/3.
図1は、単一粒子モデルを説明するための図である。図1を参照して、単一の粒子1に光5(平面波)が入射される。光5の伝播方向はx方向であり、光5の偏光方向(電場ベクトルの向き)はy方向である。粒子1に光5が入射されることによって、粒子1にはx方向に沿った力Fxが発生する。 FIG. 1 is a diagram for explaining a single particle model. Referring to FIG. 1, light 5 (plane wave) is incident on a single particle 1. The propagation direction of the light 5 is the x direction, and the polarization direction of the light 5 (the direction of the electric field vector) is the y direction. When the light 5 is incident on the particle 1, a force Fx along the x direction is generated on the particle 1.
図2は、単一粒子に作用する力のエネルギースペクトルを計算した結果を示した図であ
る。図2を参照して、グラフの縦軸は、粒子1に作用する力Fx(図1参照)の大きさを示し、横軸は光5のエネルギー(周波数)を示す。この計算では、電場強度を5(MW/cm2)とし、プラズマ周波数を8.958(eV)とし、γ=72.3(meV)とし、背景の比誘電率εb=12とした(背景の感受率χbと背景の比誘電率εbとの間には、χb=εb−1の関係がある)。媒質は真空であるとした。10(nm)、20(nm)および30(nm)の間で粒径を変化させた。図2に示されるように、粒径が増大するにつれて、力Fxの強度がピークに達するときのエネルギーが低エネルギー側にシフトするとともに力Fxのピーク値が増大する。
FIG. 2 is a diagram showing a result of calculating an energy spectrum of a force acting on a single particle. With reference to FIG. 2, the vertical axis of the graph indicates the magnitude of the force Fx (see FIG. 1) acting on the particle 1, and the horizontal axis indicates the energy (frequency) of the light 5. In this calculation, the electric field strength is 5 (MW / cm 2 ), the plasma frequency is 8.958 (eV), γ = 72.3 (meV), and the relative dielectric constant ε b = 1 of the background (background) Between the susceptibility χ b and the relative dielectric constant ε b of the background is χ b = ε b −1). The medium was a vacuum. The particle size was varied between 10 (nm), 20 (nm) and 30 (nm). As shown in FIG. 2, as the particle size increases, the energy when the intensity of the force Fx reaches the peak shifts to the lower energy side and the peak value of the force Fx increases.
図3は、2粒子モデルを説明するための第1の図である。図3を参照して、y方向に沿って粒子1,2が配列される。軸Axは、粒子1,2の中心を結ぶ軸を示す。 FIG. 3 is a first diagram for explaining the two-particle model. Referring to FIG. 3, particles 1 and 2 are arranged along the y direction. An axis Ax indicates an axis connecting the centers of the particles 1 and 2.
粒子1,2に光5が入射される。光5の偏光方向はy方向である。すなわち、光5の偏光の方向は、粒子1,2の中心を結ぶ軸Axと平行な方向である。この場合、粒子1,2の各々には、光5の偏光の方向に平行な方向に沿って分極が生じる。 Light 5 is incident on the particles 1 and 2. The polarization direction of the light 5 is the y direction. That is, the direction of polarization of the light 5 is a direction parallel to the axis Ax connecting the centers of the particles 1 and 2. In this case, polarization occurs in each of the particles 1 and 2 along a direction parallel to the direction of polarization of the light 5.
図4は、図3に示された2粒子モデルの光エネルギースペクトルの計算結果を示した図である。図4を参照して、グラフの縦軸は、粒子1,2の各々に作用する力を示し、グラフの横軸は光5のエネルギー(周波数)を示す。この計算では、粒子1,2の半径をともに20(nm)とし、粒子1,2間の距離を50(nm)とした。粒子1,2の各々に作用する力のピーク値に対応するエネルギーの値は、単一粒子の共鳴エネルギーよりも約0.039(eV)低くなる。このエネルギーの差は、ポラリトン分子の結合エネルギーに対応する。 FIG. 4 is a diagram showing the calculation result of the light energy spectrum of the two-particle model shown in FIG. Referring to FIG. 4, the vertical axis of the graph indicates the force acting on each of particles 1 and 2, and the horizontal axis of the graph indicates the energy (frequency) of light 5. In this calculation, the radii of the particles 1 and 2 are both 20 (nm), and the distance between the particles 1 and 2 is 50 (nm). The energy value corresponding to the peak value of the force acting on each of the particles 1 and 2 is about 0.039 (eV) lower than the resonance energy of a single particle. This energy difference corresponds to the binding energy of the polariton molecule.
粒子1には負の力が作用する一方で、粒子2には正の力が作用する。このため、図3に示されるように、粒子1,2の間には引力が作用する。この場合の分極Pは、式(6)の導出と同様に背景の感受率χb=0とすると、以下の式(7)に従って表わされる。 While a negative force acts on the particle 1, a positive force acts on the particle 2. For this reason, as shown in FIG. 3, an attractive force acts between the particles 1 and 2. The polarization P in this case is expressed according to the following equation (7), assuming that the background susceptibility χ b = 0 as in the derivation of the equation (6).
図5は、2粒子モデルを説明するための第2の図である。図5を参照して、軸Axの方向と垂直な方向に偏光した光5が、粒子1,2に入射される。粒子1,2の各々には、光5の偏光の方向に平行な方向に沿って分極が生じる。すなわち分極の方向は、粒子1,2の軸Axの方向と垂直である。 FIG. 5 is a second diagram for explaining the two-particle model. Referring to FIG. 5, light 5 polarized in a direction perpendicular to the direction of axis Ax is incident on particles 1 and 2. Each of the particles 1 and 2 is polarized along a direction parallel to the polarization direction of the light 5. That is, the direction of polarization is perpendicular to the direction of the axis Ax of the particles 1 and 2.
図6は、図5に示された2粒子モデルの光エネルギースペクトルの計算結果を示した図である。図6を参照して、グラフの縦軸は、粒子1,2の各々に作用する力を示し、グラフの横軸は光5のエネルギー(周波数)を示す。この計算では、粒子1,2の半径をともに20(nm)とし、粒子1,2間の距離を50(nm)とした。図6に示されるように、粒子1,2の各々に作用する力のピーク値に対応するエネルギーの値は、単一粒子の共鳴エネルギーよりも約0.0095(eV)大きくなる。このエネルギーの差は、ポラリトン分子の反結合エネルギーに対応する。 FIG. 6 is a diagram showing the calculation result of the light energy spectrum of the two-particle model shown in FIG. Referring to FIG. 6, the vertical axis of the graph indicates the force acting on each of particles 1 and 2, and the horizontal axis of the graph indicates the energy (frequency) of light 5. In this calculation, the radii of the particles 1 and 2 are both 20 (nm), and the distance between the particles 1 and 2 is 50 (nm). As shown in FIG. 6, the energy value corresponding to the peak value of the force acting on each of the particles 1 and 2 is about 0.0095 (eV) larger than the resonance energy of a single particle. This energy difference corresponds to the antibonding energy of the polariton molecule.
粒子1および粒子2の分極の向きが互いに等しい。このため図5に示されるように、粒子1,2の間には斥力が生じる。この場合の分極Pは、以下の式(8)に従って表わされ
る。なお、導出にあたっては、式(6)および式(7)の場合と同じく、背景の感受率χb=0としている。
The directions of polarization of the particles 1 and the particles 2 are equal to each other. Therefore, as shown in FIG. 5, repulsive force is generated between the particles 1 and 2. The polarization P in this case is expressed according to the following equation (8). In the derivation, the background susceptibility χ b = 0 is set in the same manner as in equations (6) and (7).
なお、図3のモデルでは光5の偏光方向がy方向であるため、式(7)において関数Gyyが用いられる。これに対して、図5のモデルでは光5の偏光方向がz方向であるため、式(8)において関数Gzzが用いられる。 In the model of FIG. 3, since the polarization direction of the light 5 is the y direction, the function G yy is used in Equation (7). On the other hand, since the polarization direction of the light 5 is the z direction in the model of FIG. 5, the function Gzz is used in the equation (8).
<軸対称偏光による金属ナノ構造体の配列制御>
本発明の実施の形態では、各々が光応答性を有する複数のナノ物質に対して軸対称偏光(Axially-Symmetric Polarization)を照射することで、複数のナノ物質の配列を制御する。ナノ物質の光応答性が偏光依存性を有する場合に、軸対称偏光をナノ物質に照射することによって、直線偏光あるいは円偏光とは異なる力学的作用を当該ナノ物質に生じさせることが可能となる。
<Arrangement control of metal nanostructures by axially symmetric polarization>
In the embodiment of the present invention, the arrangement of a plurality of nanomaterials is controlled by irradiating a plurality of nanomaterials each having photoresponsiveness with axially symmetric polarization (Axially-Symmetric Polarization). When the photoresponsiveness of a nanomaterial has polarization dependence, it is possible to cause the nanomaterial to have a mechanical action different from linearly polarized light or circularly polarized light by irradiating the nanomaterial with axially symmetric polarized light. .
電場ベクトルの向きによって、軸対称偏光はラジアル偏光およびアジミュサル偏光に分類される。図7は、ラジアル偏光の電場強度分布および電場ベクトルの向きを説明するための図である。図8はアジミュサル偏光の電場強度分布および電場ベクトルの向きを説明するための図である。図7および図8を参照して、ラジアル偏光の場合には、電場の方向は動径方向である。これに対してアジミュサル偏光の場合には、電場の方向は方位角方向である。 Axisymmetric polarization is classified into radial polarization and azimuth polarization depending on the direction of the electric field vector. FIG. 7 is a diagram for explaining the electric field intensity distribution of radial polarization and the direction of the electric field vector. FIG. 8 is a diagram for explaining the electric field intensity distribution of the azimuth polarized light and the direction of the electric field vector. With reference to FIGS. 7 and 8, in the case of radial polarization, the direction of the electric field is the radial direction. On the other hand, in the case of azimuth polarization, the direction of the electric field is the azimuth direction.
軸対称偏光ベクトルビームの場合、そのビームの中心部で電場強度|E2|がゼロになる。このため、ラジアル偏光およびアジミュサル偏光の両方の場合において、電場強度の分布はドーナツ状の強度分布となる。 In the case of an axially symmetric polarization vector beam, the electric field intensity | E 2 | becomes zero at the center of the beam. For this reason, in both the case of radial polarization and azimuth polarization, the electric field intensity distribution is a donut-shaped intensity distribution.
なお、図7および図8には示されていないが、x軸およびy軸の交点(原点)を通り、紙面に垂直な軸をz軸とする。z軸は、軸対称偏光ベクトルビームの光軸に対応する。以下では、ベクトルビームのスポット径が最も小さくなるz軸上の位置をz=0と定義するとともに、この位置をビームウエストと呼ぶ。w0は、ビームウエストの位置における、ビームのスポット径である。 Although not shown in FIGS. 7 and 8, the z-axis is an axis that passes through the intersection (origin) of the x-axis and the y-axis and is perpendicular to the paper surface. The z-axis corresponds to the optical axis of the axisymmetric polarized vector beam. Hereinafter, the position on the z-axis where the spot diameter of the vector beam is the smallest is defined as z = 0, and this position is referred to as a beam waist. w 0 is the spot diameter of the beam at the position of the beam waist.
図9は、ラジアル偏光の発生原理を説明するための図である。図10は、アジミュサル偏光の発生原理を説明するための図である。図9および図10を参照して、平行偏光または直交する偏光を持つ2つのTEM01ラゲールガウシアンビームの可干渉性の重ね合わせによって、軸対称偏光ベクトルレーザ光を発生させることができる。 FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of generation of radial polarization. FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of generation of azimuth polarized light. With reference to FIGS. 9 and 10, axisymmetric polarization vector laser light can be generated by coherent superposition of two TEM 01 Laguerre Gaussian beams with parallel or orthogonal polarization.
ナノ物質の光誘起分極を増強するためには、軸対称偏光ベクトルレーザ光がその波長程度の大きさに絞り込まれてからナノ物質に導入されることが好ましい。光応答性を有するナノ物質を、ビームウエスト面上に配置することによって、当該ナノ物質に生じる光誘起分極を増強できる。以下では、ビームウエスト面上の金属ナノ粒子について説明する。 In order to enhance the light-induced polarization of the nanomaterial, it is preferable that the axially symmetric polarized vector laser light is introduced into the nanomaterial after being narrowed down to the size of the wavelength. By arranging the nanomaterial having photoresponsiveness on the beam waist surface, the light-induced polarization generated in the nanomaterial can be enhanced. Below, the metal nanoparticle on a beam waist surface is demonstrated.
図11は、軸対称偏光ベクトルレーザ光のビームウエスト面内における単一ナノ粒子の位置を説明した図である。図11を参照して、粒子1a,1b,1cは、x軸上に配置さ
れる。粒子1a,1b,1cのx座標をそれぞれx1,x2,x3とする。x2は、電場の強度が略最大となる位置を示す。座標x1は、座標x2よりもビーム中心に近い位置を示す。一方、座標x3は、座標x2よりもビーム中心から離れた位置を示す。
FIG. 11 is a diagram illustrating the position of a single nanoparticle in the beam waist plane of an axially symmetric polarized vector laser beam. Referring to FIG. 11, particles 1a, 1b, 1c are arranged on the x-axis. The x coordinates of the particles 1a, 1b, and 1c are set to x1, x2, and x3, respectively. x2 indicates a position where the intensity of the electric field is substantially maximum. The coordinate x1 indicates a position closer to the beam center than the coordinate x2. On the other hand, the coordinate x3 indicates a position farther from the beam center than the coordinate x2.
図12は、ビームスポット径が800nmに設定された場合における電場の強度分布を示した図である。図13は、ビームスポット径が500nmに設定された場合における電場の強度分布を示した図である。図12および図13を参照して、ビームスポット径を小さくすることによって、座標x1,x3における電場の傾きが大きくなる。 FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of the electric field when the beam spot diameter is set to 800 nm. FIG. 13 is a diagram showing an electric field intensity distribution when the beam spot diameter is set to 500 nm. With reference to FIG. 12 and FIG. 13, the gradient of the electric field at coordinates x1, x3 is increased by reducing the beam spot diameter.
図14は、図12に示された粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。図15は、図13に示された粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。なお、これらの計算では媒質は水と仮定したが、真空中の粒子についても図14、図15に示した結果と同じ結果を得ることができる。 FIG. 14 is a diagram showing the result of calculating the force acting on the particles shown in FIG. FIG. 15 is a diagram showing the result of calculating the force acting on the particles shown in FIG. In these calculations, the medium is assumed to be water, but the same results as those shown in FIGS. 14 and 15 can be obtained for particles in vacuum.
図12および図14を参照して、共鳴エネルギー(約2.2349(eV))よりも低いエネルギーの光が、座標x1(370nm)に位置する粒子に照射される。この場合、正の力がその粒子に作用する。これにより、その粒子は座標x1から、電場強度のより強い場所に引き寄せられる。一方、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーの光が、座標x1に位置する粒子に照射された場合、負の力がその粒子に作用する。これによりその粒子は座標x1から電場強度のより小さい位置へと押し出される。したがって粒子はビームの中心に向けて移動する。 Referring to FIG. 12 and FIG. 14, light having an energy lower than the resonance energy (about 2.2349 (eV)) is irradiated to the particle located at the coordinate x1 (370 nm). In this case, a positive force acts on the particle. Thereby, the particles are attracted from the coordinate x1 to a place where the electric field strength is higher. On the other hand, when light having a higher energy than the resonance energy is irradiated onto the particle located at the coordinate x1, a negative force acts on the particle. As a result, the particles are pushed out from the coordinate x1 to a position where the electric field intensity is smaller. The particles therefore move towards the center of the beam.
共鳴エネルギーよりも低いエネルギーの光が座標x3(900nm)に位置する粒子に照射された場合、負の力がその粒子に作用する。これにより、その粒子は電場強度の強い場所に引き寄せられる。一方、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーの光が座標x3に位置する粒子に照射された場合、正の力がその粒子に作用する。これによりその粒子は座標x3から、電場強度のより小さい場所に押し出される。したがって粒子は、ビームの中心からより遠ざかる。 When light having energy lower than the resonance energy is irradiated to the particle located at the coordinate x3 (900 nm), a negative force acts on the particle. As a result, the particles are attracted to a place where the electric field strength is strong. On the other hand, when light having an energy higher than the resonance energy is irradiated to the particle located at the coordinate x3, a positive force acts on the particle. As a result, the particles are pushed out from the coordinate x3 to a place where the electric field strength is smaller. The particles are therefore farther from the center of the beam.
座標x2(570nm)に位置する粒子は、電場強度の最も大きい場所に位置する。共鳴エネルギーよりも低いエネルギーの光によって粒子に負の力が作用した場合、x2において勾配力がゼロに近付き、電磁気学ポテンシャルの安定領域となるため、x2近傍に粒子が補足されることになる。一方、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーの光によって粒子に正の力が作用した場合、強度が弱いビームの中心付近またはビームの外側に粒子が押しやられることになる。 The particle located at the coordinate x2 (570 nm) is located at the place where the electric field strength is the largest. When a negative force acts on the particle by light having energy lower than the resonance energy, the gradient force approaches zero at x2 and becomes a stable region of the electromagnetic potential, so that the particle is supplemented in the vicinity of x2. On the other hand, when a positive force is applied to the particle by light having energy higher than the resonance energy, the particle is pushed near the center of the beam having a low intensity or outside the beam.
図15は、図14に示した結果と同様の結果を示す。座標x1(200nm)にある粒子は、共鳴エネルギーよりも低いエネルギーの光によって電場強度の大きい位置へ移動する一方で、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーの光によって電場強度のより小さい位置へと押し出される。座標x3(600nm)にある粒子は、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーの光によって電場強度の大きい位置へ移動する一方で、共鳴エネルギーよりも低いエネルギーの光によって電場強度のより小さい位置へと押し出される。座標x2(350nm)に位置する粒子の場合、共鳴エネルギーよりも低いエネルギーの光によって、その粒子に正の力が作用する。このため、その粒子は、座標x2からビームの外側に移動する。一方、共鳴エネルギーよりも高いエネルギーの光によって、その粒子には負の力が作用する。このため、その粒子は座標x2からビームの中央に移動する。 FIG. 15 shows a result similar to the result shown in FIG. The particle at the coordinate x1 (200 nm) moves to a position where the electric field strength is high by light having energy lower than the resonance energy, while being pushed out to a position where electric field strength is higher than the resonance energy. The particle at the coordinate x3 (600 nm) moves to a position where the electric field strength is high by light having an energy higher than the resonance energy, and is pushed out to a position where the electric field strength is lower by light having an energy lower than the resonance energy. In the case of a particle located at the coordinate x2 (350 nm), a positive force acts on the particle by light having energy lower than the resonance energy. Thus, the particle moves from the coordinate x2 to the outside of the beam. On the other hand, a negative force acts on the particle by light having an energy higher than the resonance energy. Therefore, the particle moves from the coordinate x2 to the center of the beam.
図12〜図15は以下のことを示している。粒子の共鳴エネルギーよりも低いエネルギーを有する軸対称偏光ベクトルビームを複数の粒子に照射することによって電場強度が大きな場所にそれらの複数の粒子を集めることができる。逆に、粒子の共鳴エネルギーより
も高いエネルギーを有する軸対称偏光ベクトルビームを複数の粒子に照射することによって電場強度が大きな場所からそれらの複数の粒子を遠ざけることができる。ビームのスポット径を小さくすることによって、エネルギーに対する力の勾配が大きくなる。したがって、粒子に作用する勾配力を大きくすることができる。一方の物質間光誘起力は、粒子が存在する位置における強度自体に比例するため、強度勾配の変化に対して勾配力とは異なる依存性を持つ。すなわち粒子に作用する力の大きさをビームのスポット径によって制御できる。これらの特徴を利用することによって、入射光による勾配力と物質間光誘起力との間のバランスを制御することができる。
12 to 15 show the following. By irradiating a plurality of particles with an axially symmetric polarized vector beam having energy lower than the resonance energy of the particles, the plurality of particles can be collected at a place where the electric field strength is large. Conversely, by irradiating a plurality of particles with an axially symmetric polarized vector beam having energy higher than the resonance energy of the particles, the plurality of particles can be moved away from a place where the electric field strength is large. By reducing the beam spot diameter, the gradient of force against energy is increased. Therefore, the gradient force acting on the particles can be increased. One inter-substance light-induced force is proportional to the intensity itself at the position where the particles exist, and therefore has a different dependence on the change in the intensity gradient from the gradient force. That is, the magnitude of the force acting on the particles can be controlled by the beam spot diameter. By utilizing these characteristics, it is possible to control the balance between the gradient force caused by incident light and the light-induced force between substances.
図16は、2つのナノ粒子へのラジアル偏光ビームの照射により生じるそれら2つの粒子間の相互作用を説明するための図である。図16を参照して、パターンA、パターンBの各々は、粒子1,2の配置のパターンを示している。パターンAは光軸から粒子1までの距離および光軸から粒子2までの距離がともに等しくなるパターンである。パターンBは光軸から粒子1までの距離が光軸から粒子2までの距離より大きくなるパターンである。 FIG. 16 is a diagram for explaining the interaction between the two nanoparticles caused by irradiation of the two nanoparticles with a radial polarized beam. Referring to FIG. 16, each of pattern A and pattern B shows a pattern of arrangement of particles 1 and 2. Pattern A is a pattern in which the distance from the optical axis to particle 1 and the distance from the optical axis to particle 2 are both equal. Pattern B is a pattern in which the distance from the optical axis to the particle 1 is larger than the distance from the optical axis to the particle 2.
パターンAの場合、粒子1の中心と粒子2の中心とを結ぶ軸は、偏光方向(電場の方向)と直交する。このため、粒子1,2の間には斥力が発生する。一方、パターンBの場合、粒子1の中心と粒子2の中心とを結ぶ軸は、偏光方向と平行である。このため粒子1,2の間には引力が発生する。 In the case of the pattern A, the axis connecting the center of the particle 1 and the center of the particle 2 is orthogonal to the polarization direction (electric field direction). For this reason, repulsive force is generated between the particles 1 and 2. On the other hand, in the case of the pattern B, the axis connecting the center of the particle 1 and the center of the particle 2 is parallel to the polarization direction. For this reason, an attractive force is generated between the particles 1 and 2.
図17は、図16に示したパターンAに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。図18は、図16に示したパターンBに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。なお、図17に示す結果は、スポット径w0を800(nm)とし、光軸から粒子1,2の各々までの距離ρを565.55(nm)とし、粒子1の中心と粒子2の中心との間の距離r=50(nm)とし、単一粒子の共鳴エネルギーを2.2349(eV)とすることによって得られた。図18に示す結果は、スポット径w0を800(nm)とし、光軸から粒子1までの距離ρ1を600(nm)とし、光軸から粒子2までの距離ρ2を550(nm)とし、粒子1の中心と粒子2の中心との間の距離r=50(nm)とし、単一粒子の共鳴エネルギーを2.2349(eV)とすることによって得られた。これらの計算では媒質は水と仮定したが、真空中の粒子についても図17、図18に示した結果と同じ結果を得ることができる。図17および図18に示されるように、パターンAに従って配置された粒子1,2の間には斥力が生じるのに対してパターンBに従って配置された粒子1,2の間に引力が生じる。 FIG. 17 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern A shown in FIG. FIG. 18 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern B shown in FIG. The results shown in FIG. 17 indicate that the spot diameter w 0 is 800 nm, the distance ρ from the optical axis to each of the particles 1 and 2 is 565.55 nm, and the center of the particle 1 and the particle 2 This was obtained by setting the distance r to the center r = 50 (nm) and the resonance energy of a single particle to 2.2349 (eV). The results shown in FIG. 18 indicate that the spot diameter w 0 is 800 (nm), the distance ρ1 from the optical axis to the particle 1 is 600 (nm), the distance ρ2 from the optical axis to the particle 2 is 550 (nm), The distance r between the center of the particle 1 and the center of the particle 2 was set to r = 50 (nm), and the resonance energy of a single particle was set to 2.2349 (eV). In these calculations, the medium is assumed to be water, but the same results as those shown in FIGS. 17 and 18 can be obtained for particles in a vacuum. As shown in FIGS. 17 and 18, a repulsive force is generated between the particles 1 and 2 arranged according to the pattern A, whereas an attractive force is generated between the particles 1 and 2 arranged according to the pattern B.
図19は、図16に示したパターンAに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。図20は、図16に示したパターンBに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。図19に示す結果は、スポット径w0を500(nm)とし、光軸から粒子1,2の各々までの距離ρを350.89(nm)とし、粒子1の中心と粒子2の中心との間の距離r=50(nm)とし、単一粒子の共鳴エネルギーを2.2349(eV)とすることによって得られた。図20に示す結果は、スポット径w0を500(nm)とし、光軸から粒子1までの距離ρ1を400(nm)とし、光軸から粒子2までの距離ρ2を350(nm)とし、粒子1の中心と粒子2の中心との間の距離r=50(nm)とし、単一粒子の共鳴エネルギーを2.2349(eV)とすることによって得られた。なお、他の条件については、図17、図18に示される計算結果が得られた場合の条件と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。図19および図20に示されるように、スポット径w0を800(nm)から500(nm)に変更した場合にも、物質間光誘起力としては、パターンAに従って配置された粒子1,2の間には斥力が生じるとともに、パターンBに従って配置された粒子1,2
の間に引力が生じるが、図14および図15で示されるように、勾配力の大きさがスポット径によって変化するため、スポット径を制御することによって、異なる配列構造を作成できる。
FIG. 19 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern A shown in FIG. FIG. 20 is a diagram illustrating a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern B illustrated in FIG. The results shown in FIG. 19 indicate that the spot diameter w 0 is 500 (nm), the distance ρ from the optical axis to each of the particles 1 and 2 is 350.89 (nm), the center of the particle 1 and the center of the particle 2 The distance r is 50 (nm), and the resonance energy of a single particle is 2.2349 (eV). The results shown in FIG. 20 indicate that the spot diameter w 0 is 500 (nm), the distance ρ1 from the optical axis to the particle 1 is 400 (nm), the distance ρ2 from the optical axis to the particle 2 is 350 (nm), The distance r between the center of the particle 1 and the center of the particle 2 was set to r = 50 (nm), and the resonance energy of a single particle was set to 2.2349 (eV). Since other conditions are the same as the conditions when the calculation results shown in FIGS. 17 and 18 are obtained, detailed description will not be repeated. As shown in FIGS. 19 and 20, even when the spot diameter w 0 is changed from 800 (nm) to 500 (nm), the inter-substance photoinduced force is the particles 1 and 2 arranged according to the pattern A. Between the particles 1, 2 arranged according to the pattern B
As shown in FIGS. 14 and 15, since the magnitude of the gradient force varies depending on the spot diameter, different arrangement structures can be created by controlling the spot diameter.
図21は、2粒子へのアジミュサル偏光ビームの照射により生じる2粒子間の相互作用を説明するための図である。図21を参照して、パターンAの場合、粒子1の中心と粒子2の中心とを結ぶ軸は、偏光方向(電場の方向)と平行である。このため、粒子1,2の間には引力が発生する。一方、パターンBの場合、粒子1の中心と粒子2の中心とを結ぶ軸は、偏光方向に垂直である。このため粒子1,2の間には斥力が発生する。すなわちアジミュサル偏光ビームの場合には、ラジアル偏光ビームによる結果とは逆の結果が生じる。以下に説明する図22〜25の計算結果を得るための条件は、図17〜図20の計算結果を得るための条件とそれぞれ同じである。 FIG. 21 is a diagram for explaining an interaction between two particles caused by irradiation of two particles with an azimuth polarized beam. Referring to FIG. 21, in the case of pattern A, the axis connecting the center of particle 1 and the center of particle 2 is parallel to the polarization direction (direction of the electric field). For this reason, an attractive force is generated between the particles 1 and 2. On the other hand, in the case of the pattern B, the axis connecting the center of the particle 1 and the center of the particle 2 is perpendicular to the polarization direction. For this reason, repulsive force is generated between the particles 1 and 2. That is, in the case of an azimuth polarized beam, a result opposite to the result of the radial polarized beam is produced. The conditions for obtaining the calculation results of FIGS. 22 to 25 described below are the same as the conditions for obtaining the calculation results of FIGS.
図22は、図21に示したパターンAに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。図23は、図21に示したパターンBに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。なお、スポット径w0を800(nm)とした。 FIG. 22 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern A shown in FIG. FIG. 23 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern B shown in FIG. The spot diameter w 0 was set to 800 (nm).
図22および図23に示されるように、パターンAに従って配置された粒子1,2の間には引力が生じるのに対してパターンBに従って配置された粒子1,2の間に斥力が生じる。 As shown in FIGS. 22 and 23, an attractive force is generated between the particles 1 and 2 arranged according to the pattern A, whereas a repulsive force is generated between the particles 1 and 2 arranged according to the pattern B.
図24は、図21に示したパターンAに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。図25は、図21に示したパターンBに従って配置された2つのナノ粒子に作用する力を計算した結果を示した図である。なお、スポット径w0を500(nm)とした。図24および図25に示されるように、スポット径w0を変更した場合にも、パターンAに従って配置された粒子1,2の間には引力が生じるのに対してパターンBに従って配置された粒子1,2の間には斥力が生じる。 FIG. 24 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to pattern A shown in FIG. FIG. 25 is a diagram showing a result of calculating a force acting on two nanoparticles arranged according to the pattern B shown in FIG. It should be noted, was the spot diameter w 0 and 500 (nm). As shown in FIG. 24 and FIG. 25, even when the spot diameter w 0 is changed, the attractive force is generated between the particles 1 and 2 arranged according to the pattern A, whereas the particles arranged according to the pattern B. A repulsive force is generated between 1 and 2.
このように、偏光方向を制御することによって、粒子1,2間に生じる力(引力および斥力)を制御することができる。これによって粒子1,2を整列することが可能となる。 Thus, the force (attraction and repulsion) generated between the particles 1 and 2 can be controlled by controlling the polarization direction. As a result, the particles 1 and 2 can be aligned.
図26は、偏光による2つのナノ粒子の配列を模擬した結果を示した図である。図26を参照して、y方向に偏光した直線偏光を2つのナノ粒子に照射することにより、それら2つの粒子がビームウエストの位置において、y方向と略平行な方向に整列する。図26は、熱揺らぎによるランダム力が存在していても、電気二重層斥力と光誘起力(引力および斥力)とのバランスによって、偏光方向と平行な方向に沿って2個の粒子を配列することができることを示している。 FIG. 26 is a diagram showing the result of simulating the arrangement of two nanoparticles by polarized light. Referring to FIG. 26, by irradiating two nanoparticles with linearly polarized light polarized in the y direction, the two particles are aligned in a direction substantially parallel to the y direction at the position of the beam waist. FIG. 26 shows that even when a random force due to thermal fluctuation exists, two particles are arranged along a direction parallel to the polarization direction due to the balance between the electric double layer repulsive force and the light-induced force (attractive force and repulsive force). It shows that you can.
なお、図26に示す結果は、以下の条件によって得られたものである。ナノ粒子を金ナノ粒子とし、粒子の直径を40(nm)とした。さらに金ナノ粒子は常温の水に存在するものとした。光強度を600(mW)とし、励起波長を、非共鳴の波長である1064(nm)とした。また、スポットの直径を1000(nm)とし、レーザ光の照射時間を0.02(s)とし、ステップ数を1000000(ステップ)とした(描画の都合上、1000ステップに相当する20μsごとにナノ粒子の軌跡をプロットしている)。 The results shown in FIG. 26 are obtained under the following conditions. The nanoparticles were gold nanoparticles, and the diameter of the particles was 40 (nm). Furthermore, the gold nanoparticles were assumed to be present in water at room temperature. The light intensity was 600 (mW), and the excitation wavelength was 1064 (nm), which is a non-resonant wavelength. Further, the spot diameter was set to 1000 (nm), the irradiation time of the laser beam was set to 0.02 (s), and the number of steps was set to 1000000 (steps). The particle trajectory is plotted).
図27は、偏光による4つのナノ粒子の配列を模擬した結果を示した図である。なお、図27の結果を得るための条件は、図26の結果を得るための条件と同じである。図27に示されるように、ナノ粒子の個数を2個から4個に増やした場合にも、偏光方向と平行な方向に沿って4個の粒子を配列することができる。 FIG. 27 is a diagram showing the result of simulating the arrangement of four nanoparticles by polarized light. The conditions for obtaining the result of FIG. 27 are the same as the conditions for obtaining the result of FIG. As shown in FIG. 27, even when the number of nanoparticles is increased from two to four, four particles can be arranged along a direction parallel to the polarization direction.
<ナノ物質の配列模擬方法および装置>
本発明の一実施形態では、光誘起力による複数のナノ物質の配列を模擬する。複数のナノ物質の配列を模擬することによって、ナノ物質配列構造体の構造を予測することができる。ナノ物質配列構造体の構造を予測することによって、当該ナノ物質配列構造体の性質を予測することができる。これにより、新たな機能を有するナノ複合体を作製できる可能性が高められる。
<Method and apparatus for simulating nanomaterial arrangement>
In one embodiment of the present invention, an array of a plurality of nanomaterials by light induced force is simulated. By simulating the arrangement of a plurality of nanomaterials, the structure of the nanomaterial arrangement structure can be predicted. By predicting the structure of the nanomaterial array structure, the properties of the nanomaterial array structure can be predicted. This increases the possibility of producing a nanocomposite having a new function.
図28は、本発明の実施の形態に係る模擬方法を実行するコンピュータ100のハードウェア構成を説明した図である。図28を参照して、コンピュータ100は、コンピュータ本体101と、フレキシブルディスク(Flexible Disk、以下「FD」と呼ぶ)ドライブ103と、光ディスクドライブ104と、通信インターフェイス105と、モニタ106と、キーボード107と、マウス108とを備える。FDドライブ103、光ディスクドライブ104、通信インターフェイス105、キーボード107およびマウス108は、バス102を介してコンピュータ本体101に接続される。 FIG. 28 is a diagram illustrating a hardware configuration of the computer 100 that executes the simulation method according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 28, a computer 100 includes a computer main body 101, a flexible disk (hereinafter referred to as “FD”) drive 103, an optical disk drive 104, a communication interface 105, a monitor 106, a keyboard 107, and the like. And a mouse 108. The FD drive 103, the optical disc drive 104, the communication interface 105, the keyboard 107 and the mouse 108 are connected to the computer main body 101 via the bus 102.
FDドライブ103は、FD113から情報を読み出すとともにFD113に情報を記録する。光ディスクドライブ104は、CD−ROM(Compact Disc Read−Only Memory)114等の光ディスクに記録された情報を読み出す。通信インターフェイス105
は、コンピュータ100の外部の装置と通信回線(図示せず)を通じてデータを授受する。
The FD drive 103 reads information from the FD 113 and records information on the FD 113. The optical disc drive 104 reads information recorded on an optical disc such as a CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) 114. Communication interface 105
Transmits and receives data to and from a device external to the computer 100 via a communication line (not shown).
コンピュータ本体101は、CPU(Central Processing Unit)120と、ROM
(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含むメモリ121と、ハードディスク122とを含む。CPU120、メモリ121、ハードディスク122は、バス102に接続される。
The computer main body 101 includes a CPU (Central Processing Unit) 120 and a ROM.
A memory 121 including a (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) and a hard disk 122 are included. The CPU 120, the memory 121, and the hard disk 122 are connected to the bus 102.
ハードディスク122は、複数のナノ物質の配列を模擬するためのパラメータ130と、シミュレーションプログラム131と、シミュレーション結果132とを格納する。ハードディスク122は、直接アクセスメモリ装置の一例であって、ハードディスク122のかわりに、他の種類の直接アクセスメモリ装置を用いてもよい。 The hard disk 122 stores a parameter 130 for simulating the arrangement of a plurality of nanomaterials, a simulation program 131, and a simulation result 132. The hard disk 122 is an example of a direct access memory device, and other types of direct access memory devices may be used instead of the hard disk 122.
パラメータ130は、ナノ物質の配列を模擬するための各種のパラメータを含む。一例として、パラメータ130は、ナノ物質の個数、ナノ物質のサイズ(半径、体積等)、複数のナノ物質間の距離、光の周波数、光の強度(パワー)、光の偏光方向、スポット径、照射時間、照射周期、および照射回数、環境温度、ナノ物質が存在する媒質の種類、等を含む。ただしパラメータの種類はこれらに限定されない。 The parameter 130 includes various parameters for simulating the arrangement of nanomaterials. As an example, the parameters 130 include the number of nanomaterials, the size of the nanomaterial (radius, volume, etc.), the distance between a plurality of nanomaterials, the light frequency, the light intensity (power), the polarization direction of the light, the spot diameter, It includes the irradiation time, the irradiation cycle, and the number of irradiations, the environmental temperature, the type of medium in which the nanomaterial exists, and the like. However, the types of parameters are not limited to these.
ユーザは、キーボード107およびマウス108等の入力装置を介して、パラメータ130を変更することができる。パラメータ130は、通信インターフェイス105を介して外部のデータベースから供給されてもよい。 A user can change the parameter 130 via an input device such as a keyboard 107 and a mouse 108. The parameter 130 may be supplied from an external database via the communication interface 105.
シミュレーションプログラム131は、上記のパラメータに基づいて複数のナノ物質の配列を模擬するためのプログラムである。シミュレーションプログラム131は、FD113およびCD−ROM114等の記憶媒体によって供給されてもよく、あるいは、他のコンピュータから通信回線を経由して供給されてもよい。シミュレーション結果132は、シミュレーションプログラム131の実行結果を含む。 The simulation program 131 is a program for simulating the arrangement of a plurality of nanomaterials based on the above parameters. The simulation program 131 may be supplied by a storage medium such as the FD 113 and the CD-ROM 114, or may be supplied from another computer via a communication line. The simulation result 132 includes an execution result of the simulation program 131.
上記のシミュレーションプログラム131は、CPU120により実行されるソフトウェアである。CPU120がシミュレーションプログラム131を実行することにより、
コンピュータ100は、模擬装置として機能する。
The simulation program 131 is software executed by the CPU 120. When the CPU 120 executes the simulation program 131,
The computer 100 functions as a simulation device.
図29は、CPU120の機能的構成を示すブロック図である。図29を参照して、CPU120は、初期条件設定部150と、偏光条件設定部160と、配列シミュレーション部170とを備える。 FIG. 29 is a block diagram illustrating a functional configuration of the CPU 120. Referring to FIG. 29, CPU 120 includes an initial condition setting unit 150, a polarization condition setting unit 160, and an array simulation unit 170.
初期条件設定部150は、パラメータ130に基づいて、複数のナノ物質の初期状態を設定する。たとえば、初期条件設定部150は、ナノ物質の個数、ナノ物質の初期位置(または複数のナノ物質の間隔)、ナノ物質のサイズ、媒質、環境温度を設定する。 The initial condition setting unit 150 sets initial states of a plurality of nanomaterials based on the parameter 130. For example, the initial condition setting unit 150 sets the number of nanomaterials, the initial position of the nanomaterial (or the interval between the plurality of nanomaterials), the size of the nanomaterial, the medium, and the environmental temperature.
偏光条件設定部160は、パラメータ130に基づいて、複数のナノ物質に照射される軸対称偏光に関する条件を設定する。たとえば、偏光条件設定部160は、周波数、強度(パワー)、偏光方向、光の伝播方向、スポット径、照射時間、照射周期、および照射回数等を設定する。偏光方向を設定するために、ラジアル偏光およびアジミュサル偏光のいずれか一方が選択されてもよい。あるいは、ラジアル偏光およびアジミュサル偏光だけでなく直線偏光も選択可能であってもよい。直線偏光が選択されることによって、シミュレーションモデルをより単純化することができる。ユーザがパラメータ130に含まれる軸対称偏光の条件を変更した場合、偏光条件設定部160は、パラメータ130に基づいて軸対称偏光に関する条件を変更する。 Based on the parameter 130, the polarization condition setting unit 160 sets conditions relating to axially symmetric polarization that is applied to a plurality of nanomaterials. For example, the polarization condition setting unit 160 sets a frequency, intensity (power), polarization direction, light propagation direction, spot diameter, irradiation time, irradiation cycle, number of irradiations, and the like. In order to set the polarization direction, either one of radial polarization and azimuth polarization may be selected. Alternatively, not only radial polarization and azimuth polarization but also linear polarization may be selected. By selecting linearly polarized light, the simulation model can be further simplified. When the user changes the condition of the axially symmetric polarization included in the parameter 130, the polarization condition setting unit 160 changes the condition related to the axially symmetric polarization based on the parameter 130.
配列シミュレーション部170は、初期条件設定部150によって設定された複数のナノ物質の初期状態および、偏光条件設定部160によって設定された軸対称偏光の条件に基づいて、シミュレーションプログラム131に従って複数のナノ物質の配列を模擬する。配列シミュレーション部170は、2つのナノ物質の中心を結ぶ軸と偏光方向との間の関係から、式(7)あるいは式(8)を用いて、ナノ物質に生じる光誘起力(2つのナノ物質間に生じる引力または斥力、あるいはナノ物質に作用する勾配力)およびその大きさを算出する。配列シミュレーション部170は、その算出された光誘起力および熱揺らぎによってナノ物質に作用する力に基づき、複数のナノ物質の配列を模擬するとともに、その結果をシミュレーション結果132として出力する。 Based on the initial state of the plurality of nanomaterials set by the initial condition setting unit 150 and the condition of axially symmetric polarization set by the polarization condition setting unit 160, the array simulation unit 170 is configured according to the simulation program 131. Simulate the array. The array simulation unit 170 uses a formula (7) or a formula (8) based on a relationship between an axis connecting the centers of two nanomaterials and a polarization direction to generate a photo-induced force (two nanomaterials) generated in the nanomaterial. The attractive force or repulsive force generated between them, or the gradient force acting on the nanomaterial) and its magnitude are calculated. The array simulation unit 170 simulates the array of a plurality of nanomaterials based on the calculated photoinduced force and the force acting on the nanomaterial by the thermal fluctuation, and outputs the result as a simulation result 132.
図30は、本発明の実施の形態に係る模擬方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、図28に示したコンピュータ100により実行される。なお、本発明の実施の形態に係る模擬方法は図30に示した順序に従って実行されるものと限定されない。たとえば処理の順序が適宜変更されてもよいし、複数の処理が並行して実行されてもよい。 FIG. 30 is a flowchart showing an example of a processing flow of the simulation method according to the embodiment of the present invention. The process of this flowchart is executed by the computer 100 shown in FIG. It should be noted that the simulation method according to the embodiment of the present invention is not limited to being executed in the order shown in FIG. For example, the order of the processes may be changed as appropriate, and a plurality of processes may be executed in parallel.
図30を参照して、ステップS1において、パラメータ130に基づいて複数のナノ物質の初期条件が設定される。ステップS2において、軸対称偏光ベクトルビームに関する条件が設定される。ステップS3において、シミュレーションプログラム131に従って、ナノ物質の配列がシミュレーションされる。ステップS4において、シミュレーション結果132が出力される。ステップS4の処理が終了すると全体の処理が終了する。図30に示された処理をコンピュータ100(模擬装置)が実行することにより、図26および図27に示されたシミュレーション結果を得ることができる。 Referring to FIG. 30, in step S <b> 1, initial conditions for a plurality of nanomaterials are set based on parameter 130. In step S2, conditions regarding the axially symmetric polarization vector beam are set. In step S <b> 3, the array of nanomaterials is simulated according to the simulation program 131. In step S4, the simulation result 132 is output. When the process of step S4 ends, the entire process ends. When the computer 100 (simulation apparatus) executes the process shown in FIG. 30, the simulation results shown in FIGS. 26 and 27 can be obtained.
<ナノ物質配列構造体の製造>
本発明の実施の形態に係るナノ物質の配列制御方法は、複数のナノ物質からなるナノ物質集団を準備するステップと、当該ナノ物質に軸対称偏光を照射するステップとを備える。軸対称偏光をナノ物質集団に照射することでナノ物質に光誘起力が発生する。その力を利用することによって、ナノ物質の配列が制御される。なお、ナノ物質が存在するための媒質の種類は特に限定されるものではない。
<Manufacture of nanomaterial array structure>
A nanomaterial arrangement control method according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing a nanomaterial group composed of a plurality of nanomaterials, and a step of irradiating the nanomaterial with axially symmetric polarized light. Light-induced force is generated in the nanomaterial by irradiating the nanomaterial population with axially symmetric polarized light. By utilizing the force, the arrangement of nanomaterials is controlled. Note that the type of medium for the presence of the nanomaterial is not particularly limited.
図31は、本発明の実施の形態に係るナノ物質の配列制御装置を備えたナノ物質配列構造体の製造装置の構成を示した図である。図31を参照して、本発明の実施の形態に係る製造装置200は、光源201と、筐体202と、ナノ物質集団生成部203と、媒質供給部204と、基板固定部205と、制御部206とを備える。 FIG. 31 is a diagram illustrating a configuration of a nanomaterial array structure manufacturing apparatus including the nanomaterial array control device according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 31, manufacturing apparatus 200 according to the embodiment of the present invention includes light source 201, housing 202, nanomaterial group generation unit 203, medium supply unit 204, substrate fixing unit 205, and control. Unit 206.
本実施の形態によれば、常温環境においてナノ物質の配列を制御することができる。したがって、筐体202はナノ物質の配列制御にとって必ずしも必要ではない。本実施の形態によれば、たとえばナノ物質(たとえば金ナノ粒子)が分散した溶液をサンプルセルに封入した環境においても、当該ナノ物質の配列制御が可能である。また、ナノ物質(たとえば金ナノ粒子)が分散した溶液を基板11上に滴下することによって、基板11およびナノ物質集団10が準備されてもよい。 According to the present embodiment, the arrangement of nanomaterials can be controlled in a room temperature environment. Therefore, the housing 202 is not necessarily required for the nanomaterial arrangement control. According to the present embodiment, for example, the arrangement of nanomaterials can be controlled even in an environment in which a solution in which nanomaterials (for example, gold nanoparticles) are dispersed is sealed in a sample cell. Alternatively, the substrate 11 and the nanomaterial group 10 may be prepared by dropping a solution in which the nanomaterial (for example, gold nanoparticles) is dispersed onto the substrate 11.
光源201は、ナノ物質集団10に対して軸対称偏光ベクトルビームを照射する。制御部206によって、光源201から発せられる軸対称偏光の条件が変更される。たとえばナノ物質集団10に照射される偏光ビームのスポット径が変更される。 The light source 201 irradiates the nanomaterial group 10 with an axisymmetric polarized vector beam. The control unit 206 changes the condition of axially symmetric polarization emitted from the light source 201. For example, the spot diameter of the polarized beam irradiated on the nanomaterial group 10 is changed.
図32は、図31に示される光源201の構成例を示した図である。図32を参照して、光源201は、レーザ光源211と、ラジアル偏光コンバータ212と、集光光学系213とを備える。 FIG. 32 is a diagram showing a configuration example of the light source 201 shown in FIG. With reference to FIG. 32, the light source 201 includes a laser light source 211, a radial polarization converter 212, and a condensing optical system 213.
レーザ光源211は直線偏光したレーザ光を発生させる。レーザ光源211の具体的な構成は特に限定されるものではなく、ナノ物質の操作に用いられる公知のレーザ光源を用いることができる。たとえば上記のように金ナノ粒子の配列を制御する場合には、波長1064(nm)のレーザ光を発生させるレーザ光源(たとえばNd:YAGレーザ)をレーザ光源211に用いることができる。この他、たとえば実施形態に開示された金属ナノ粒子の局在表面プラズモンの共鳴条件に近い条件で光誘起力を変化させるためには、500nm〜700nmの範囲に波長を有する半導体レーザをレーザ光源211に用いることもできる。レーザ光の波長(エネルギー、光周波数)を変化させることができるようにレーザ光源211は波長可変レーザであることが好ましい。これにより、単一ナノ粒子の共鳴エネルギーよりも高いエネルギーを有する光、およびその共鳴エネルギーよりも低いエネルギーを有する光を発生させることができる。 The laser light source 211 generates linearly polarized laser light. The specific configuration of the laser light source 211 is not particularly limited, and a known laser light source used for manipulating nanomaterials can be used. For example, when controlling the arrangement of gold nanoparticles as described above, a laser light source (for example, an Nd: YAG laser) that generates laser light having a wavelength of 1064 (nm) can be used as the laser light source 211. In addition, for example, in order to change the photoinduced force under conditions close to the resonance conditions of the localized surface plasmon of the metal nanoparticles disclosed in the embodiment, a semiconductor laser having a wavelength in the range of 500 nm to 700 nm is used as the laser light source 211. It can also be used. The laser light source 211 is preferably a tunable laser so that the wavelength (energy, optical frequency) of the laser light can be changed. Thereby, light having an energy higher than the resonance energy of a single nanoparticle and light having an energy lower than the resonance energy can be generated.
ラジアル偏光コンバータ212は、レーザ光源211からの直線偏光ビームを軸対称偏光ビームに変換する。たとえばラジアル偏光コンバータ212は、液晶層を含む偏光制御デバイスである。液晶層に含まれる液晶分子は、制御部206からの電気信号によってその配向方向を変化させる。配向方向が制御された液晶分子を含む液晶層に、直線偏光が入射される。これにより、直線偏光をラジアル偏光またはアジミュサル偏光に変換することができる。 The radial polarization converter 212 converts the linearly polarized beam from the laser light source 211 into an axially symmetric polarized beam. For example, the radial polarization converter 212 is a polarization control device that includes a liquid crystal layer. The liquid crystal molecules contained in the liquid crystal layer change the alignment direction by an electric signal from the control unit 206. Linearly polarized light is incident on a liquid crystal layer containing liquid crystal molecules whose orientation direction is controlled. Thereby, linearly polarized light can be converted into radial polarized light or azimuth polarized light.
ラジアル偏光コンバータ212は、ラジアル偏光の発生とアジミュサル偏光の発生とを切換え可能であることが好ましい。ただしラジアル偏光コンバータ212は、ラジアル偏光およびアジミュサル偏光のいずれか一方のみ発生可能であってもよい。 The radial polarization converter 212 is preferably capable of switching between generation of radial polarization and generation of azimuth polarization. However, the radial polarization converter 212 may be capable of generating only one of radial polarization and azimuth polarization.
集光光学系213は、ラジアル偏光コンバータ212からの軸対称偏光ビームを集光してナノ物質集団に照射する。集光光学系213は、軸対称偏光ビームのスポット径を変更できるデバイスであれば特に限定されず、たとえば公知の構成を有するビームエキスパンダ、レンズ等を用いることができる。 The condensing optical system 213 collects the axially symmetric polarized beam from the radial polarization converter 212 and irradiates the nanomaterial group. The condensing optical system 213 is not particularly limited as long as it is a device that can change the spot diameter of the axially symmetric polarized beam. For example, a beam expander or a lens having a known configuration can be used.
図31に戻り、製造装置200は、軸対称偏光を発生させる光源201に加えて、直線
偏光あるいは円偏光を発生させる光源を備えていてもよい。異なる種類の偏光をナノ物質集団10に照射することによって、ナノ物質の多様な配列を実現できる。
Returning to FIG. 31, the manufacturing apparatus 200 may include a light source that generates linearly polarized light or circularly polarized light in addition to the light source 201 that generates axially symmetric polarized light. By irradiating the nanomaterial group 10 with different types of polarized light, various arrangements of nanomaterials can be realized.
ナノ物質集団10は、筐体202の内部に閉じ込められる。筐体202の大きさや形状等は特に限定されず、ナノ物質集団10にとって適切な環境を提供できるものであればよい。筐体202の内部は、真空であってもよいし、液体状の媒質で満たされてもよい。 The nanomaterial group 10 is confined inside the housing 202. The size, shape, and the like of the housing 202 are not particularly limited as long as they can provide an appropriate environment for the nanomaterial group 10. The inside of the housing 202 may be a vacuum or may be filled with a liquid medium.
ナノ物質集団生成部203は、複数のナノ物質からなるナノ物質集団10を生成する。ナノ物質集団生成部203は、たとえば、まずナノ物質を生成して、次にナノ物質集団10を形成する。 The nanomaterial group generation unit 203 generates a nanomaterial group 10 composed of a plurality of nanomaterials. For example, the nanomaterial group generation unit 203 first generates a nanomaterial and then forms the nanomaterial group 10.
媒質供給部204は媒質を筐体202の内部に供給する。媒質の種類は特に限定されず、たとえば流動性媒質である。流動性媒質の種類は特に限定されない。筐体202の内部を冷却することが求められる場合、流動性媒質として、たとえば液体窒素、液体ヘリウム等を用いてもよい。また、筐体202の内部を真空に近い状態にする必要がある場合、媒質供給部204として真空ポンプを用いることもできる。 The medium supply unit 204 supplies a medium into the housing 202. The type of the medium is not particularly limited, and is a fluid medium, for example. The kind of fluid medium is not particularly limited. When it is required to cool the inside of the housing 202, for example, liquid nitrogen, liquid helium, or the like may be used as the fluid medium. In addition, when the inside of the housing 202 needs to be in a state close to a vacuum, a vacuum pump can be used as the medium supply unit 204.
基板固定部205は基板11を固定する。この実施の形態では、基板11の表面に複数のナノ物質が配列されることによって、ナノ物質配列構造体が製造される。基板11の種類は特に限定されないが、たとえば半導体基板、ガラス基板等を用いることができる。 The substrate fixing unit 205 fixes the substrate 11. In this embodiment, a nanomaterial array structure is manufactured by arranging a plurality of nanomaterials on the surface of the substrate 11. Although the kind of board | substrate 11 is not specifically limited, For example, a semiconductor substrate, a glass substrate, etc. can be used.
制御部206は、光源201、ナノ物質集団生成部203、媒質供給部204を制御する。具体的には、制御部206は、光源201から発せられる軸対称偏光の条件を制御する。この条件は、周波数(波長)、強度、偏光の種類、照射時間、照射周期、照射回数、等を含む。ただし軸対称偏光の条件は、上記の条件に限定されない。制御部206は、さらにナノ物質集団生成部203によるナノ物質集団10の生成(たとえばナノ物質集団10の生成タイミング、ナノ物質の濃度など)を制御する。さらに制御部206は、媒質供給部204による媒質の供給(たとえば供給量、供給タイミングなど)を制御する。さらに、制御部206は、基板11上に配列された複数のナノ粒子を基板11に固定するための処理を実行してもよい。 The control unit 206 controls the light source 201, the nanomaterial group generation unit 203, and the medium supply unit 204. Specifically, the control unit 206 controls the condition of axially symmetric polarization emitted from the light source 201. This condition includes frequency (wavelength), intensity, polarization type, irradiation time, irradiation cycle, number of irradiations, and the like. However, the condition of axially symmetric polarization is not limited to the above condition. The control unit 206 further controls the generation of the nanomaterial group 10 by the nanomaterial group generation unit 203 (for example, the generation timing of the nanomaterial group 10, the concentration of the nanomaterial, etc.). Further, the control unit 206 controls medium supply (for example, supply amount, supply timing, etc.) by the medium supply unit 204. Further, the control unit 206 may execute a process for fixing the plurality of nanoparticles arranged on the substrate 11 to the substrate 11.
図31には示されていないが、製造装置200は、ナノ物質集団10の配列制御に関する各種情報を操作者に提示するための表示手段(各種ディスプレイ等)、ナノ物質配列構造体を検出するための手段、筐体202の内部の温度を一定に保つための手段をさらに備えていてもよい。このような手段も公知の構成を用いることができ、その動作も制御部206により制御可能である。 Although not shown in FIG. 31, the manufacturing apparatus 200 detects display means (such as various displays) for presenting various types of information related to the array control of the nanomaterial group 10 to the operator, and a nanomaterial array structure. And means for keeping the temperature inside the housing 202 constant may be further provided. As such means, a known configuration can be used, and its operation can also be controlled by the control unit 206.
図33は、図31に示した製造装置による、ナノ物質の配列制御方法およびナノ物質配列構造体の製造方法を説明するフローチャートである。なお、本発明の実施の形態に係る配列制御方法および製造方法は図33に示した順序に従って実行されるものと限定されない。たとえば処理の順序が適宜変更されてもよいし、複数の処理が並行して実行されてもよい。 FIG. 33 is a flowchart for explaining a nanomaterial arrangement control method and a nanomaterial arrangement structure production method using the production apparatus shown in FIG. 31. In addition, the arrangement | sequence control method and manufacturing method which concern on embodiment of this invention are not limited to what is performed according to the order shown in FIG. For example, the order of the processes may be changed as appropriate, and a plurality of processes may be executed in parallel.
図33を参照して、ステップS11において、ナノ物質集団生成部203はナノ物質集団10を形成する。すなわちステップS11においてナノ物質集団10が準備される。なお、基板11はステップS11の処理に先立って予め準備される。 Referring to FIG. 33, in step S <b> 11, nanomaterial group generation unit 203 forms nanomaterial group 10. That is, the nanomaterial group 10 is prepared in step S11. The substrate 11 is prepared in advance prior to the processing in step S11.
ステップS12において、光源201は、軸対称偏光ベクトルビームを発生させるとともに、その軸対称偏光ベクトルビームをナノ物質集団10に照射する。 In step S <b> 12, the light source 201 generates an axially symmetric polarized vector beam and irradiates the nanomaterial group 10 with the axially symmetric polarized vector beam.
ステップS13において、制御部206が光源201を制御する。これにより、光源201から発せられる軸対称偏光ベクトルビームが制御される。軸対称偏光ベクトルビームが制御されることにより、複数のナノ物質には光誘起力が生じる。その光誘起力によって、複数のナノ物質が基板11の表面に配列する。 In step S <b> 13, the control unit 206 controls the light source 201. Thereby, the axially symmetric polarization vector beam emitted from the light source 201 is controlled. By controlling the axially symmetric polarization vector beam, a light-induced force is generated in the plurality of nanomaterials. A plurality of nanomaterials are arranged on the surface of the substrate 11 by the photoinduced force.
ステップS14において、基板11の表面にナノ物質が固定される。ステップS14の処理は任意選択的に実行されてもよい。基板11の表面にナノ物質が固定するための方法としては公知の方法を利用することができるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない。たとえば基板11とナノ物質との間の静電的相互作用(を利用して基板11の表面にナノ物質を固定してもよいし、複数のナノ物質が基板11の表面上で配列された後に、その表面が薄膜によりコーティングされてもよい。ステップS14の処理が終了すると全体の処理が終了する。 In step S <b> 14, the nanomaterial is fixed on the surface of the substrate 11. The process of step S14 may optionally be executed. Since a known method can be used as a method for fixing the nanomaterial on the surface of the substrate 11, detailed description thereof will not be repeated here. For example, the nanomaterial may be fixed to the surface of the substrate 11 using electrostatic interaction between the substrate 11 and the nanomaterial, or after a plurality of nanomaterials are arranged on the surface of the substrate 11. The surface may be coated with a thin film, and when the process of step S14 ends, the entire process ends.
図34は、ナノ物質集団にラジアル偏光を照射することによって形成されたナノ物質配列構造体の構造例を示した図である。図35は、ナノ物質集団にアジミュサル偏光を照射することによって形成されたナノ物質配列構造体の構造例を示した図である。図34および図35を参照して、単一のナノ物質の共鳴エネルギーよりも低エネルギーの光をナノ物質集団10に照射することによって、電場強度の強い部分にナノ物質を引き寄せる力が働く。ラジアル偏光がナノ物質集団に照射された場合、動径方向に引力が働くとともに、方位角方向には斥力が働く。図34に示されるように、ナノ物質配列構造体21においては、粒子1,2の対の中心軸(図3および図5に示した軸Axに対応する軸)が動径方向に沿うように、粒子1,2の対が配置される。さらに、動径方向に密となるとともに方位角方向に疎となるように、複数のナノ物質が配置される。 FIG. 34 is a diagram showing a structure example of a nanomaterial array structure formed by irradiating a nanomaterial group with radial polarized light. FIG. 35 is a diagram showing a structural example of a nanomaterial array structure formed by irradiating azimuth polarized light to a nanomaterial population. Referring to FIGS. 34 and 35, by irradiating the nanomaterial group 10 with light having energy lower than the resonance energy of a single nanomaterial, a force that attracts the nanomaterial to a portion where the electric field strength is strong works. When the radial polarized light is irradiated to the nanomaterial group, an attractive force works in the radial direction and a repulsive force works in the azimuth direction. As shown in FIG. 34, in the nanomaterial array structure 21, the central axis of the pair of particles 1 and 2 (axis corresponding to the axis Ax shown in FIGS. 3 and 5) is along the radial direction. , A pair of particles 1, 2 is arranged. Furthermore, a plurality of nanomaterials are arranged so as to be dense in the radial direction and sparse in the azimuthal direction.
一方、アジミュサル偏光がナノ物質集団に照射された場合、動径方向に斥力が働くとともに、方位角方向には引力が働く。図35に示されるように、ナノ物質配列構造体22においては、粒子1,2の対の中心軸が方位角方向に沿って配置される。さらに、動径方向に疎となるとともに方位角方向に密となるように、複数のナノ物質が配置される。 On the other hand, when azimuthal polarized light is irradiated onto a group of nanomaterials, repulsive force works in the radial direction and attractive force works in the azimuth direction. As shown in FIG. 35, in the nanomaterial array structure 22, the central axes of the pair of particles 1 and 2 are arranged along the azimuth direction. Furthermore, a plurality of nanomaterials are arranged so as to be sparse in the radial direction and dense in the azimuth direction.
このように、本発明の実施の形態によれば、軸偏光の種類を異ならせることによって、ナノ物質の配列構造を変えることができる。さらに、軸対称偏光ベクトルビームのスポット径を変化させることによって、勾配力と、引力(あるいは斥力)との間のバランスを変化させることができる。このため粒子間隔の異なる配列構造体を作成することも可能である。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the arrangement structure of nanomaterials can be changed by changing the type of axially polarized light. Furthermore, the balance between gradient force and attractive force (or repulsive force) can be changed by changing the spot diameter of the axisymmetric polarized vector beam. For this reason, it is also possible to create an array structure with different particle spacings.
ナノ物質配列構造体の構造を変えることによって、その構造体の特性も変えることができる。以下では、ナノ物質配列構造体の構造に依存する特性の一例として吸収スペクトルを示す。 By changing the structure of the nanomaterial array structure, the characteristics of the structure can also be changed. Below, an absorption spectrum is shown as an example of the characteristic depending on the structure of the nanomaterial array structure.
図36は、ラジアル偏光によって生成されたナノ配列構造体の吸収スペクトルを計算するためのモデルを示した図である。図36を参照して、同心円状に配置された粒子の個数をNとする。粒子の配置方向の数をlとすると、N個の粒子が配置される円の数は(N/l)となる。同一の円周上にならぶ複数の粒子に対して、x軸上の粒子から反時計回りに1,2,3,・・・,j,・・・と順番を付す。円の中心からj番目の粒子の中心へと伸びる直線がx軸となる角度をθjとする。角度θjは以下の式(9)に従って表わされる。 FIG. 36 is a diagram showing a model for calculating the absorption spectrum of the nano-array structure generated by radial polarization. Referring to FIG. 36, let N be the number of particles arranged concentrically. When the number of particles in the arrangement direction is 1, the number of circles in which N particles are arranged is (N / l). .., J,... Are assigned to a plurality of particles arranged on the same circumference counterclockwise from the particles on the x-axis. Let θ j be the angle at which the straight line extending from the center of the circle to the center of the j-th particle is the x axis. The angle θ j is expressed according to the following equation (9).
θj=8π(j−1)/N …(9)
内側からk番目の円周上に中心を有するj番目の粒子の座標(xkj,ykj)は、以下の式(10)および式(11)に従ってそれぞれ表わされる。
θ j = 8π (j−1) / N (9)
The coordinates (x kj , y kj ) of the j-th particle having the center on the k-th circumference from the inside are expressed according to the following equations (10) and (11), respectively.
xkj=ρkcosθj …(10)
ykj=ρksinθj …(11)
なお、図36は、N=48、l=12の場合のナノ物質配列構造体の構成を示す。
x kj = ρ k cos θj (10)
y kj = ρ k sin θj (11)
FIG. 36 shows the configuration of the nanomaterial array structure when N = 48 and l = 12.
図37は、図36に示されたナノ物質配列構造体の吸収スペクトルの計算結果を示した図である。なお、粒子の直径を40nmに設定した。また、動径方向に隣接する2つの粒子の中心間距離(=ρk+1,j−ρk,j)を50nmに設定した。また、ρ1,j=275nmに設定した。θj−1−θj−1=π/6である。 FIG. 37 is a view showing a calculation result of an absorption spectrum of the nanomaterial array structure shown in FIG. The particle diameter was set to 40 nm. In addition, the distance between the centers of two particles adjacent in the radial direction (= ρ k + 1, j −ρ k, j ) was set to 50 nm. Moreover, it set to (rho) 1, j = 275nm. θ j−1 −θ j−1 = π / 6.
図37には、ナノ物質配列構造体の吸収スペクトル(すなわち、RTEMで示す曲線)との比較のために、直線状に並べられた48個のナノ粒子の2つの吸収スペクトルもまた示される。それら2つの吸収スペクトルの一方(すなわち、Linear(parallel)で示す曲線)は、ナノ粒子の配列方向に対して平行な方向に偏光した直線偏光に対する直線状構造体の吸収スペクトルであり、他方(すなわち、Linear(perpendicular)で示す曲線)は、ナノ粒子の配列方向に対して垂直な方向に偏光した直線偏光に対する直線状構造体の吸収スペクトルである。 FIG. 37 also shows two absorption spectra of 48 nanoparticles arranged in a line for comparison with the absorption spectrum of the nanomaterial array structure (ie, the curve shown by RTEM). One of these two absorption spectra (ie, the curve indicated by Linear (parallel)) is the absorption spectrum of the linear structure for linearly polarized light that is polarized in a direction parallel to the array direction of the nanoparticles, and the other (ie, , A curve represented by Linear (perpendicular)) is an absorption spectrum of the linear structure with respect to linearly polarized light polarized in a direction perpendicular to the arrangement direction of the nanoparticles.
直線状構造体の吸収スペクトルは、吸収波長が偏光方向に大きく依存することを示している。一方、ラジアル偏光によって作成された構造体の吸収スペクトル(RTEMで示される曲線)は、動径方向にナノ物質を密に配置することによって、様々な向きに偏光した直線偏光を広い周波数帯域にわたり吸収できることを示す。 The absorption spectrum of the linear structure shows that the absorption wavelength greatly depends on the polarization direction. On the other hand, the absorption spectrum of the structure created by radial polarization (curve shown by RTEM) absorbs linearly polarized light in various directions over a wide frequency band by densely arranging nanomaterials in the radial direction. Show what you can do.
図38は、アジミュサル偏光によって生成されたナノ配列構造体の吸収スペクトルを計算するためのモデルを示した図である。図38を参照して、アジミュサル偏光の電場強度が最も強い位置にN個の粒子が配列される。したがって、N個の粒子が円環状に配列される。この円の半径をρとする。なお図38はN=48の場合のナノ配列構造体の例を示す。 FIG. 38 is a diagram illustrating a model for calculating an absorption spectrum of a nanoarray structure generated by azimuth polarization. Referring to FIG. 38, N particles are arranged at a position where the electric field strength of azimuth polarized light is strongest. Therefore, N particles are arranged in an annular shape. Let the radius of this circle be ρ. FIG. 38 shows an example of the nano-array structure when N = 48.
図39は、図38に示されたナノ物質配列構造体の吸収スペクトルの計算結果を示した図である。なお、Nを48とし、粒子の直径を40nmとし、方位角方向に隣接する2つの粒子の中心間距離を49.7nmとし、ρ=380nmとした。また、θ=π/24に設定した。 FIG. 39 is a diagram showing a calculation result of an absorption spectrum of the nanomaterial array structure shown in FIG. N was 48, the particle diameter was 40 nm, the center-to-center distance between two particles adjacent in the azimuth direction was 49.7 nm, and ρ = 380 nm. Further, θ = π / 24 was set.
図37と同じく、図39にも、直線状に並べられた48個のナノ粒子の2つの吸収スペクトル(すなわち、Linear(y−direction)で示す曲線およびLinear(z−direction)で示す曲線)が示される。アジミュサル偏光によって作成された構造体の吸収スペクトル(すなわち、ATEMで示す曲線)は、方位角方向にナノ物質を密に配置することによって、様々な向きに偏光した直線偏光を広い周波数帯域にわたり吸収できることを示す。 Similar to FIG. 37, FIG. 39 shows two absorption spectra of 48 nanoparticles arranged linearly (that is, a curve indicated by Linear (y-direction) and a curve indicated by Linear (z-direction)). Indicated. The absorption spectrum (ie, the curve shown by ATEM) of structures created by azimuth polarization can absorb linearly polarized light in various directions over a wide frequency band by densely arranging nanomaterials in the azimuth direction. Indicates.
以上のように、本発明の実施の形態によれば、軸対称偏光ベクトルビームによって複数のナノ物質の配列を制御する。これによって様々な向きに偏光した光を効率よく吸収することができるナノ物質配列構造体を製造することができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the arrangement of a plurality of nanomaterials is controlled by the axially symmetric polarization vector beam. This makes it possible to manufacture a nanomaterial array structure that can efficiently absorb light polarized in various directions.
図40は、本発明の実施の形態に係る製造装置の応用例を示した図である。図40を参照して、製造装置220は、光源201と、制御部206と、グレーティング222と、テレスコープ223と、ミラー224と、対物レンズ225と、照明器226と、接眼レンズ(アイピース)227と、ビデオカメラ228とを備える。 FIG. 40 is a diagram showing an application example of the manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 40, the manufacturing apparatus 220 includes a light source 201, a control unit 206, a grating 222, a telescope 223, a mirror 224, an objective lens 225, an illuminator 226, and an eyepiece (eyepiece) 227. And a video camera 228.
グレーティング222は、たとえばコンピュータによって生成されたホログラムである。光源201からの軸対称偏光ベクトルビームは、グレーティング222によって、任意の方向に進む複数のビームに分割される。複数のビームは、テレスコープ223を通り、ミラー224によって対物レンズ225に入射する。対物レンズ225は、ミラー224からのレーザビームを集光する。ナノ物質集団10は、基板11の表面上に存在する。対物レンズ225から出射されたレーザビームは、ナノ物質集団10に照射される。なお、制御部206によって光源201が制御される。これにより光源201から出射される軸対称偏光ベクトルビームが制御される。また、光源201の直後にラジアル偏光コンバータ212が備えられてもよい。 The grating 222 is a hologram generated by a computer, for example. The axially symmetric polarization vector beam from the light source 201 is divided into a plurality of beams traveling in an arbitrary direction by the grating 222. The plurality of beams pass through the telescope 223 and enter the objective lens 225 through the mirror 224. The objective lens 225 condenses the laser beam from the mirror 224. The nanomaterial population 10 exists on the surface of the substrate 11. The laser beam emitted from the objective lens 225 is applied to the nanomaterial group 10. Note that the light source 201 is controlled by the control unit 206. Thereby, the axially symmetric polarized vector beam emitted from the light source 201 is controlled. Further, a radial polarization converter 212 may be provided immediately after the light source 201.
図40の構成によれば、グレーティング222のホログラムのパターンを制御することによって複数の軸対称偏光ベクトルレーザビームを発生させることができる。これにより、基板11の表面上に、図34、図35、図36、および図38で示された多数のナノ物質配列構造体を生成することができる。また、ラジアル偏光コンバータ212(図32を参照)を光源201の直後に備えてもよい。この場合、ラジアル偏光コンバータ212で生成した単一の軸対称ベクトルレーザビームをグレーティング222で反射させることで、偏光を保存しながら、単一の軸対称ベクトルレーザビームを、複数の軸対称ベクトルレーザビームへと分割する。このような構成によっても、図34、図35、図36、および図38で示された放射状および同心円状の配列構造体を多数作成することができる。 According to the configuration of FIG. 40, a plurality of axially symmetric polarization vector laser beams can be generated by controlling the hologram pattern of the grating 222. Thereby, a large number of nanomaterial array structures shown in FIGS. 34, 35, 36, and 38 can be generated on the surface of the substrate 11. Further, a radial polarization converter 212 (see FIG. 32) may be provided immediately after the light source 201. In this case, the single axially symmetric vector laser beam generated by the radial polarization converter 212 is reflected by the grating 222, so that the single axially symmetric vector laser beam is converted into a plurality of axially symmetric vector laser beams while preserving the polarization. Divide into Even with such a configuration, a large number of radial and concentric array structures shown in FIGS. 34, 35, 36, and 38 can be produced.
図41は、図40に示された製造装置220によって製造された構造体の第1の例の模式図である。図41を参照して、基板11の表面に、複数のナノ物質配列構造体21が配置される。ナノ物質配列構造体21の構成は、図34に示された構成に対応する。すなわち、各ナノ物質配列構造体は、放射状に配列された複数のナノ物質を含む。図42は、図40に示された製造装置220によって製造された構造体の第2の例の模式図である。図42を参照して、基板11の表面に、複数のナノ物質配列構造体22が配置される。ナノ物質配列構造体22の構成は、図34に示された構成に対応する。ナノ物質配列構造体22の構成は、図35に示された構成に対応する。すなわち、各ナノ物質配列構造体は、同心円状に配列された複数のナノ物質を含む。なお、1種類のナノ物質配列構造体のみ(すなわちナノ物質配列構造体21およびナノ物質配列構造体22のいずれか一方のみ)が基板11の表面に配列されるよう限定されるものではない。ナノ物質配列構造体21,22の両方が基板11の表面に配列されてもよい。 FIG. 41 is a schematic view of a first example of a structure manufactured by the manufacturing apparatus 220 shown in FIG. Referring to FIG. 41, a plurality of nanomaterial array structures 21 are arranged on the surface of substrate 11. The configuration of the nanomaterial array structure 21 corresponds to the configuration shown in FIG. That is, each nanomaterial array structure includes a plurality of nanomaterials arranged radially. FIG. 42 is a schematic view of a second example of the structure manufactured by the manufacturing apparatus 220 shown in FIG. Referring to FIG. 42, a plurality of nanomaterial array structures 22 are arranged on the surface of substrate 11. The configuration of the nanomaterial array structure 22 corresponds to the configuration shown in FIG. The configuration of the nanomaterial array structure 22 corresponds to the configuration shown in FIG. That is, each nanomaterial array structure includes a plurality of nanomaterials arranged concentrically. It should be noted that only one kind of nanomaterial array structure (that is, only one of the nanomaterial array structure 21 and the nanomaterial array structure 22) is not limited to be arranged on the surface of the substrate 11. Both nanomaterial array structures 21 and 22 may be arranged on the surface of the substrate 11.
(応用例)
本発明の実施の形態によれば、任意の種類のナノ物質の配列制御に利用できる。たとえば金属ナノ粒子中の局在表面プラズモン(LSP)を光で共鳴励起すると、その金属ナノ粒子の表面近傍において強い光電場が発生し、それにより、常温でも強い光散乱および光吸収が示される。また、ナノ粒子集団の配列状態によって光学的スペクトルが敏感に変化するので、金属ナノ粒子の配列をデザインすることによって、ナノ物質配列構造体の様々な応用が期待される。
(Application examples)
According to the embodiment of the present invention, it can be used for array control of any kind of nanomaterial. For example, when local surface plasmon (LSP) in a metal nanoparticle is resonantly excited with light, a strong photoelectric field is generated in the vicinity of the surface of the metal nanoparticle, thereby showing strong light scattering and light absorption even at room temperature. In addition, since the optical spectrum changes sensitively depending on the arrangement state of the nanoparticle population, various applications of the nanomaterial arrangement structure are expected by designing the arrangement of the metal nanoparticles.
したがって、本発明の実施の形態によれば、光の利用形態の異なる様々な材料を作製することが期待できる。また、本発明の実施の形態によれば、軸対称偏光ビームを用いてナノ物質の配列を制御することによって、光エネルギーを高効率で別の物理量に変換して利用できる材料を作製することが期待できる。 Therefore, according to the embodiment of the present invention, it can be expected that various materials having different utilization forms of light are produced. Further, according to the embodiment of the present invention, it is possible to produce a material that can be used by converting light energy into another physical quantity with high efficiency by controlling the arrangement of nanomaterials using an axially symmetric polarized beam. I can expect.
本発明の実施の形態によるナノ物質配列構造体の応用例について以下に示す。
(1)新規の高効率の光電変換材料およびデバイスへの利用
上記材料またはデバイスとして、たとえば以下のものが挙げられる。
Application examples of the nanomaterial array structure according to the embodiment of the present invention will be described below.
(1) Use for novel high-efficiency photoelectric conversion material and device Examples of the material or device include the following.
(a)配列および光応答特性が制御された金属ナノ粒子を有するプラズモニック太陽電池
(b)局所的に光電変換特性が制御された有機−無機ハイブリッド型人工捕集系
(c)光電流検知型局在表面プラズモンバイオセンサー
図43は、プラズモニック太陽電池の構成例を示した模式図である。図43を参照して、プラズモニック太陽電池300は、金属層302と、金属層302の上に配置されたn型半導体層304と、n型半導体層304の上に配置されたp型半導体層306と、p型半導体層306の表面に配置された複数のナノ物質配列構造体21とを備える。ナノ物質配列構造体21は、放射状に配置された複数のナノ物質を含む。p型半導体層306の表面には、複数のナノ物質配列構造体21に代えて複数のナノ物質配列構造体22(各ナノ物質配列構造体22は、同心円状に配置された複数のナノ物質を含む)が配置されてもよい。さらに、ナノ物質配列構造体21およびナノ物質配列構造体22の両方がp型半導体層306の表面に配置されてもよい。
(A) Plasmonic solar cell having metal nanoparticles with controlled arrangement and photoresponse characteristics (b) Organic-inorganic hybrid artificial collection system with locally controlled photoelectric conversion characteristics (c) Photocurrent detection type Localized Surface Plasmon Biosensor FIG. 43 is a schematic diagram showing a configuration example of a plasmonic solar cell. Referring to FIG. 43, plasmonic solar cell 300 includes metal layer 302, n-type semiconductor layer 304 disposed on metal layer 302, and p-type semiconductor layer disposed on n-type semiconductor layer 304. 306 and a plurality of nanomaterial array structures 21 arranged on the surface of the p-type semiconductor layer 306. The nanomaterial array structure 21 includes a plurality of nanomaterials arranged radially. On the surface of the p-type semiconductor layer 306, instead of the plurality of nanomaterial array structures 21, a plurality of nanomaterial array structures 22 (each nanomaterial array structure 22 includes a plurality of nanomaterials arranged concentrically. Including) may be arranged. Furthermore, both the nanomaterial array structure 21 and the nanomaterial array structure 22 may be disposed on the surface of the p-type semiconductor layer 306.
たとえば上記の項目(a),(b)に記載した例では、局在表面プラズモンの電磁気学的結合状態による広い光吸収帯が利用可能であるとともに、光誘起分極を生じさせる部位に高効率に光エネルギーを集中できるような、ナノ物質の配列構造体を作製できる可能性がある。また、項目(c)に記載した例では、光応答性の生体分子とプラズモンとの結合によって、その生体分子を高効率に検出可能なセンサーを作製できる可能性がある。 For example, in the examples described in the items (a) and (b) above, a wide light absorption band due to the electromagnetically coupled state of the localized surface plasmon can be used, and at a site that causes light-induced polarization with high efficiency. There is a possibility that an array structure of nanomaterials capable of concentrating light energy can be produced. Further, in the example described in item (c), there is a possibility that a sensor capable of detecting the biomolecule with high efficiency can be produced by the combination of the photoresponsive biomolecule and the plasmon.
(2)高効率の光−熱変換材料
たとえば高効率で光エネルギーを熱エネルギーに変換する光温熱治療用材料を作成できる可能性がある。たとえば所望の場所を局所的に加熱できる材料の開発、およびその材料の生体への応用などが期待できる。
(2) High-efficiency light-heat conversion material For example, there is a possibility that a material for photothermal therapy that converts light energy into heat energy with high efficiency can be created. For example, development of a material capable of locally heating a desired place and application of the material to a living body can be expected.
(3)光エネルギーを光のまま伝送するナノ光デバイス
上記の光デバイスとして、たとえば以下のものが挙げられる。
(3) Nano-optical device that transmits light energy as light As the above-mentioned optical device, for example, the following can be cited.
(d)可視光用メタマテリアル
(e)近接場ナノ光デバイス
(f)ナノ光電子回路
(d)の場合、ナノ物質の配列を適切に設計することにより、特定の性質を有する光を選択的に透過、集光あるいは吸収する光フィルタを作製できる可能性がある。
(D) Visible light metamaterial (e) Near-field nano-optical device (f) Nano-optoelectronic circuit In the case of (d), by appropriately designing the array of nano-materials, light having specific properties can be selectively selected There is a possibility that an optical filter that transmits, collects, or absorbs light can be produced.
(e)の場合、たとえば光機能性分子の会合体が構成されるようにナノ物質の配列を適切に設計することにより、光電変換デバイスを補助する光インターコネクションを作製できる可能性がある。 In the case of (e), there is a possibility that an optical interconnection for assisting the photoelectric conversion device can be produced by appropriately designing the arrangement of nanomaterials so that, for example, an aggregate of photofunctional molecules is formed.
(g)の場合、所望の量子特性を有するカーボンナノ材料あるいは量子ドットの配列を適切に設計することにより、光電変換デバイスを補助する光インターコネクションを作製できる可能性がある。 In the case of (g), there is a possibility that an optical interconnection for assisting the photoelectric conversion device can be produced by appropriately designing an array of carbon nanomaterials or quantum dots having desired quantum characteristics.
このように本発明の実施の形態によれば、複数のナノ物質の配列を軸対称偏光を用いて制御することによって、ナノ複合材料の構造の多様化を実現することができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, diversification of the structure of the nanocomposite material can be realized by controlling the arrangement of the plurality of nanomaterials using the axially symmetric polarization.
なお、上記の実施の形態においては、複数のナノ物質が基板に配列される。すなわち、2次元の配列構造体が作製される。しかしながら、本発明によれば、3次元の配列構造体を作製することも可能である。たとえば流動性のある光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂中において、軸対称偏光ビームによりナノ粒子の配列を制御してナノ粒子をトラップし、軸対称偏光ビームとは異なる波長を有する他の光を光硬化性樹脂に照射したり、あるいは熱
硬化性樹脂を加熱したりすることで樹脂を硬化させる。これにより3次元の配列構造体作製成することが可能となる。
In the above embodiment, a plurality of nanomaterials are arranged on the substrate. That is, a two-dimensional array structure is produced. However, according to the present invention, a three-dimensional array structure can be produced. For example, in a flowable photo-curing resin or thermosetting resin, the array of nanoparticles is controlled by an axially symmetric polarized beam to trap the nanoparticles, and other light having a wavelength different from that of the axially symmetric polarized beam is captured. The resin is cured by irradiating the photocurable resin or heating the thermosetting resin. This makes it possible to produce a three-dimensional array structure.
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、新規な性質を有する構造体の製造など、ナノテクノロジーに関わる分野に広く利用できる。 The present invention can be widely used in fields related to nanotechnology, such as production of structures having novel properties.
1,2,1a,1b,1c 粒子、5 光、11 基板、21,22 ナノ物質配列構造体、100 コンピュータ、101 コンピュータ本体、102 バス、103 FDドライブ、104 光ディスクドライブ、105 通信インターフェイス、106 モニタ、107 キーボード、108 マウス、114 ROM、120 CPU、121 メモリ、122 ハードディスク、130 パラメータ、131 シミュレーションプログラム、132 シミュレーション結果、150 初期条件設定部、160 偏光条件設定部、170 配列シミュレーション部、200,220 製造装置、201 光源、202 筐体、203 ナノ物質集団生成部、204 媒質供給部、205 基板固定部、206 制御部、211 レーザ光源、212 ラジアル偏光コンバータ、213 集光光学系、222 グレーティング、223 テレスコープ、224 ミラー、225 対物レンズ、226 照明器、228 ビデオカメラ、300 プラズモニック太陽電池、302 金属層、304 n型半導体層、306 p型半導体層、A,B パターン、Ax 軸。 1, 2, 1a, 1b, 1c particle, 5 light, 11 substrate, 21, 22 nanomaterial array structure, 100 computer, 101 computer body, 102 bus, 103 FD drive, 104 optical disk drive, 105 communication interface, 106 monitor 107 Keyboard, 108 Mouse, 114 ROM, 120 CPU, 121 Memory, 122 Hard disk, 130 Parameter, 131 Simulation program, 132 Simulation result, 150 Initial condition setting unit, 160 Polarization condition setting unit, 170 Array simulation unit, 200, 220 Manufacturing apparatus, 201 light source, 202 housing, 203 nano material group generation unit, 204 medium supply unit, 205 substrate fixing unit, 206 control unit, 211 laser light source, 212 radius Polarization converter, 213 condensing optical system, 222 grating, 223 telescope, 224 mirror, 225 objective lens, 226 illuminator, 228 video camera, 300 plasmonic solar cell, 302 metal layer, 304 n-type semiconductor layer, 306 p Type semiconductor layer, A, B pattern, Ax axis.
Claims (12)
複数のナノ物質を含むナノ物質集団を準備するステップと、
光軸に対して対称に偏光した軸対称偏光を前記ナノ物質集団に照射することによって前記複数のナノ物質に光誘起力を生じさせ、それにより、複数のナノ物質を配列するステップとを備える、ナノ物質配列構造体の製造方法。 A method for producing a nanomaterial array structure comprising:
Preparing a nanomaterial population comprising a plurality of nanomaterials;
Irradiating the nanomaterial population with axially symmetric polarized light that is polarized symmetrically with respect to an optical axis, thereby generating a photo-induced force in the plurality of nanomaterials, thereby arranging the plurality of nanomaterials. A method for producing a nanomaterial array structure.
前記光誘起力を制御するために前記軸対称偏光のスポット径を制御するステップを含む、請求項1に記載のナノ物質配列構造体の製造方法。 The step of arranging the plurality of nanomaterials includes:
The method of manufacturing a nanomaterial array structure according to claim 1, comprising a step of controlling a spot diameter of the axially symmetric polarized light in order to control the photoinduced force.
複数のナノ物質に光誘起力を生じさせるために、光軸に対して対称に偏光した軸対称偏光を、前記複数のナノ物質を含むナノ物質集団に照射する光源と、
前記光誘起力によって前記複数のナノ物質が配列されるように、前記軸対称偏光を制御する制御部とを備える、ナノ物質配列構造体の製造装置。 An apparatus for producing a nanomaterial array structure,
A light source that irradiates a group of nanomaterials including a plurality of nanomaterials with axially symmetric polarization that is polarized symmetrically with respect to an optical axis in order to generate a photo-induced force in the plurality of nanomaterials;
An apparatus for manufacturing a nanomaterial array structure, comprising: a control unit that controls the axially symmetric polarized light so that the plurality of nanomaterials are arranged by the photoinduced force.
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