JP5803916B2 - メタマテリアルの製造方法およびメタマテリアル - Google Patents
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Description
(1)電磁波に対して共振する電磁波共振体を備える、メタマテリアルの製造方法であって、前記方法は、前記電磁波共振体の形状に対応する柱形状及び前記柱形状の前記電磁波共振体の形状に対応する平面を有する支持体に、前記電磁波共振体を形成する材料を異なる2以上の方向から前記平面に蒸着することによって、前記支持体に前記電磁波共振体を配置することを含むと共に、前記電磁波共振体は、略開放四角形型、または略U字型の断面の形状を有するメタマテリアルの製造方法。
(2)(1)に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記電磁波共振体を形成する材料を、物理蒸着することによって前記支持体に前記電磁波共振体を配置するメタマテリアルの製造方法。
(3)(1)又は(2)に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記電磁波共振体を形成する材料は、前記支持体の平面の法線に対して第一の斜めの方向から蒸着されると共に、前記法線に対して前記第一の斜めの方向と反対の方向である第二の斜めの方向から前記支持体の平面に蒸着されるメタマテリアルの製造方法。
(4)(1)から(3)までのいずれか一つに記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体に誘電体を蒸着し、さらに導電性材料および/または誘電体を蒸着するメタマテリアルの製造方法。
(5)(4)に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体が複数の平面を有し、前記複数の平面は、互いに対して段差を有するメタマテリアルの製造方法。
(6)(1)から(5)までのいずれか一つに記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体の材料は、前記電磁波に対して透過性の材料である、メタマテリアルの製造方法。
(7)(6)に記載のメタマテリアルの製造方法であって、粘着性を有する材料に転写された前記電磁波共振体を積層した後、一体化するメタマテリアルの製造方法。
(8)(1)から(5)までのいずれか一つに記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体に設けられた電磁波共振体を、粘着性を有する材料に転写した後に支持体と分離して、回収するメタマテリアルの製造方法。
(9)(8)に記載のメタマテリアルの製造方法であって、電磁波共振体を、固化後に前記電磁波に対して透明な誘電体となる材料からなる液体、または固化後に前記電磁波に対して透明な誘電体となる材料を含む液体に分散した後に固化させるメタマテリアルの製造方法であって、
前記固化後に前記電磁波に対して透明な誘電体が、前記粘着性を有する材料を溶解させることが可能な溶媒であるメタマテリアルの製造方法。
(10)複数の柱状形状を有する支持体と、該支持体上に配置され、該支持体の上の少なくも一部を支持体とは異なる物質で被覆し、電磁波に対して共振する電磁波共振体を含むメタマテリアルであって、
前記支持体は前記電磁波共振体の形状に対応する柱形状を有し、
前記電磁波共振体が、略開放四角形型、または略U字型の断面の形状を有し、略開放四角形型または略U字型が有する二つの端部の長さが異なるメタマテリアル。
(11)高さ、幅および/または奥行の異なる、複数の柱状形状を有する支持体と、該支持体上に配置され、該支持体の少なくも一部を支持体とは異なる物質で被覆し、電磁波に対して共振する電磁波共振体を含むメタマテリアルであって、
前記電磁波共振体が、微細なギャップが設けられた二枚の平板の形状を有し、
前記支持体は、前記微細なギャップが設けられた二枚の平板の形状に対応する、相互に対して段差を有する二つの平面の形状を有するメタマテリアル。
なお、メタマテリアルとは、金属、誘電体、磁性体、半導体、超伝導体などの波長に対して同等もしくはそれよりも小さな構造からなる単位粒子を誘電体中にランダムに分散もしくは規則的に配置した物質を意味し、後述する第一〜第六の実施形態や実施例で表わされるように、種々の形態を取ることができる。
この場合には、支持体11から電磁波共振体を回収することなく、支持体11及び電磁波共振体を含むメタマテリアルそれ自体を光学素子のような機能性の素子として使用できる。
略U字型または略開放四角形型の電磁波共振体は、周波数が高くなるにつれて、磁気的共振と電気的共振を起こし、それぞれの共振周波数の直後の高周波数帯で透磁率と誘電率が負の値をとる。このとき、電磁波共振体が対称な形状の場合には、誘電率と透磁率がそれぞれ負となる周波数は異なる。
しかし、本発明者らは、電磁波共振体がSRRの場合の態様として、略U字型または略開放四角形型のうち、略U字型または略開放四角形が有する2つの端部のうち、片方を他方に比べて長く、非対称にすることで特定の周波数帯で、誘電率と透磁率を負の値とし、負の屈折率が実現できることを見出した。
すなわち、略U字型または略開放四角形型の電磁波共振体の片側の端部の長さを、他方に比べて長くすることによって、電気的共振の周波数を低い周波数にシフトさせることができる。したがって、片側の端部の長さを調整することによって、透磁率、誘電率ともに同じ周波数帯で負の値を持たせることが可能となり、同じ周波数帯で負の屈折率を実現できる。
また、別の態様では、ナノインプリントによって、高さ、幅および/または奥行の異なる、複数の支持体を配置し、電磁波共振体の高さ、幅および/または奥行を変えることで、ある周波数帯の屈折率を負にできることを見出した。
すなわち、本発明においては、以下の特徴を有するメタマテリアルであることが好ましい。
(i)複数の柱状形状を有する支持体と、該支持体上に配置され、該支持体上の少なくも一部を支持体とは異なる物質で被覆し、電磁波に対して共振する電磁波共振体を含むメタマテリアルであって、前記電磁波共振体が、略開放四角形型、または略U字型であり、略開放四角形型または略U字型が有する二つの端部の長さが異なるメタマテリアル。
(ii)高さ、幅および/または奥行の異なる、複数の柱状形状を有する支持体と、該支持体上に配置され、該支持体の少なくも一部を支持体とは異なる物質で被覆し、電磁波に対して共振する電磁波共振体を含むメタマテリアルであって、前記電磁波共振体が、略開放四角形型、または略U字型であるメタマテリアル。
ここで、上記(i)のメタマテリアルにおいて、「二つの端部の長さが異なる」とは、電磁波共振体が略開放四角形型である場合は、略開放四角形の二つの末端部を始点とし、そこから略開放四角形の形状に沿う部分の一辺のそれぞれの長さが異なることを意味し、電磁波共振体が略U字型である場合は、U字の頂点からそれぞれの端部までの長さが異なることを意味する。
図15(a)〜(d)は、電磁波共振体の高さ、幅および奥行、すなわち大きさの異なる電磁波共振体の誘電率と透磁率の周波数依存性を説明する図である。図15(a)と図15(b)は、それぞれ、ある大きさAとそれとは別の大きさBの電磁波共振体(支持体の図示は省略)を説明する図である。図15(c)と図15(d)は、それぞれ、図15(a)と図15(b)の電磁波共振体の誘電率と透磁率の実部の周波数依存性を示す図である。誘電率は、図15(a)と図15(b)の電磁波共振体において、それぞれ、ε1、ε2とする。透磁率は、図15(a)と図15(b)の電磁波共振体において、それぞれ、μ1、μ2とする。
図15(a)に示された、ある大きさAの電磁波共振体では、誘電率ε1が負になる周波数帯と透磁率μ1が負になる周波数帯は一般には異なる。
しかし、上述の大きさAを有する電磁波共振体において、図15(c)に示されるように誘電率が負になる周波数帯ω12で、透磁率が負になる別の大きさBの電磁波共振体とを組み合わせることで、周波数帯ω12の屈折率を負(電磁波共振体Aの誘電率ε1と電磁波共振体Bの透磁率μ2が共に負)にできる。
屈折率を負にできると、その効果として、レンズを作製した場合に、回折限界を超えて光を絞り込むことができ、波長オーダーを下回る物体を光学的な像として認識できる。また、屈折率が負の物質を用いたシートで物体を包み込むと、電磁波が前記シートを通って物体迂回する透明マントやクローキングといった現象が可能となる。
また、電磁波共振体12の材料は、支持体11の平面の法線に対して斜めの方向から支持体11に蒸着させることができる。
実施した解析の例として、131の導体をAlとし、132の支持体を比誘電率2の誘電体とした。入射した電磁波は、平面波で、z面に垂直入射した。平面波の電界の方向をx方向、磁界の方向をy方向とした。電磁波共振体のそれぞれの寸法は、Alの幅W1=160nm、高さH=100nm、奥行きD1=173nm、D2=346nmn、厚さT=30nm、支持体の奥行きD3=450nm、幅W2=100nm、開放四角形型構造のギャップG1=40nm、G2=50nmである。解析した結果を図14に示す。800〜1600nm付近で比誘電率と比透磁率がともに負の値を示していることがわかる。
本出願は、2010年7月15日出願の日本特許出願2010−160956に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
12,34,42,52,63,72,83 電磁波に対して共振する電磁波共振体
13,35,81 メタマテリアル
21 共振の性質を評価する装置
22 試料
23 光源
24 偏光板
25 分光光度計
31 メタマテリアルを製造する装置
33,41,51 粘着性を有する材料
36 加圧ローラー
43 ヒーター
53 誘電体
62 誘電体
73 硬化性樹脂
74,82 樹脂の硬化体
131 導体
132 支持体
133 解析モデルのユニットセル
Claims (11)
- 電磁波に対して共振する電磁波共振体を備える、メタマテリアルの製造方法であって、前記方法は、前記電磁波共振体の形状に対応する柱形状及び前記柱形状の前記電磁波共振体の形状に対応する平面を有する支持体に、前記電磁波共振体を形成する材料を異なる2以上の方向から前記平面に蒸着することによって、前記支持体に前記電磁波共振体を配置することを含むと共に、前記電磁波共振体は、略開放四角形型、または略U字型の断面の形状を有するメタマテリアルの製造方法。
- 請求項1に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記電磁波共振体を形成する材料を、物理蒸着することによって前記支持体に前記電磁波共振体を配置するメタマテリアルの製造方法。
- 請求項1又は2に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記電磁波共振体を形成する材料は、前記支持体の平面の法線に対して第一の斜めの方向から蒸着されると共に、前記法線に対して前記第一の斜めの方向と反対の方向である第二の斜めの方向から前記支持体の平面に蒸着されるメタマテリアルの製造方法。
- 請求項1から3までのいずれか一項に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体に誘電体を蒸着し、さらに導電性材料および/または誘電体を蒸着するメタマテリアルの製造方法。
- 請求項4に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体が複数の平面を有し、前記複数の平面は、互いに対して段差を有するメタマテリアルの製造方法。
- 請求項1から5までのいずれか一項に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体の材料は、前記電磁波に対して透過性の材料である、メタマテリアルの製造方法。
- 請求項6に記載のメタマテリアルの製造方法であって、粘着性を有する材料に転写された前記電磁波共振体を積層した後、一体化するメタマテリアルの製造方法。
- 請求項1から5までのいずれか一項に記載のメタマテリアルの製造方法であって、前記支持体に設けられた電磁波共振体を、粘着性を有する材料に転写した後に支持体と分離して、回収するメタマテリアルの製造方法。
- 請求項8に記載のメタマテリアルの製造方法であって、電磁波共振体を、固化後に前記電磁波に対して透明な誘電体となる材料からなる液体、または固化後に前記電磁波に対して透明な誘電体となる材料を含む液体に分散した後に固化させるメタマテリアルの製造方法であって、
前記固化後に前記電磁波に対して透明な誘電体が、前記粘着性を有する材料を溶解させることが可能な溶媒であるメタマテリアルの製造方法。 - 複数の柱状形状を有する支持体と、該支持体上に配置され、該支持体の上の少なくも一部を支持体とは異なる物質で被覆し、電磁波に対して共振する電磁波共振体を含むメタマテリアルであって、
前記支持体は前記電磁波共振体の形状に対応する柱形状を有し、
前記電磁波共振体が、略開放四角形型、または略U字型の断面の形状を有し、略開放四角形型または略U字型が有する二つの端部の長さが異なるメタマテリアル。 - 高さ、幅および/または奥行の異なる、複数の柱状形状を有する支持体と、該支持体上に配置され、該支持体の少なくも一部を支持体とは異なる物質で被覆し、電磁波に対して共振する電磁波共振体を含むメタマテリアルであって、
前記電磁波共振体が、微細なギャップが設けられた二枚の平板の形状を有し、
前記支持体は、前記微細なギャップが設けられた二枚の平板の形状に対応する、相互に対して段差を有する二つの平面の形状を有するメタマテリアル。
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