JP5867810B2 - Vertically stacked plasmon metal disk array for capturing broadband light - Google Patents

Vertically stacked plasmon metal disk array for capturing broadband light Download PDF

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Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を利用して広帯域の光を捕捉するための垂直積層プラズモン金属(例えばAu)ディスクアレイ、および、そのようなディスクアレイを作製する方法に関するものである。   The present invention relates to a vertically stacked plasmon metal (eg, Au) disk array for capturing broadband light utilizing surface plasmon resonance, and a method of making such a disk array.

太陽光を電力に変換するための太陽光発電(PV)セルは、我々が今世紀に直面しているエネルギーおよび環境問題を解決するために最も有望な選択肢の1つである。Si太陽電池の普及を促進するに当たって、考慮すべき大きな問題であるエネルギー変換効率およびシリコン(Si)消費の観点から太陽光スペクトルのうち600−1100nmのスペクトル帯域の成分の光がとりわけ重要である。何故なら、太陽光スペクトルのうち、このスペクトル帯域の光に対するSiの吸収性が低いからである。Atwaterらの最近の論文において良く説明されている通り(非特許文献1および2を参照)、これまでのSi太陽電池は、波長600−1100nmの光を捕捉するためには、200−300μm厚のSi薄膜を必要としていた。一方、この太陽光スペクトルの残余部分は、僅かおよそ2μm厚のSi薄膜を通しても吸収され得る。高効率の太陽電池を安価に作製するためには、厚いSi薄膜を必要とする太陽電池は非実用的である。   Photovoltaic (PV) cells for converting sunlight into electric power are one of the most promising options for solving the energy and environmental problems we are facing this century. In promoting the spread of Si solar cells, light in the spectral band of 600 to 1100 nm in the solar spectrum is particularly important from the viewpoint of energy conversion efficiency and silicon (Si) consumption, which are major problems to be considered. This is because, in the sunlight spectrum, Si absorbs less light in this spectral band. As well described in a recent paper by Atwater et al. (See Non-Patent Documents 1 and 2), conventional Si solar cells are 200-300 μm thick to capture light of wavelength 600-1100 nm. A Si thin film was required. On the other hand, the remaining part of the solar spectrum can be absorbed even through a Si film as thin as approximately 2 μm. In order to produce a high-efficiency solar cell at a low cost, a solar cell that requires a thick Si thin film is impractical.

プラズモン金属ナノ構造を太陽電池と組み合わせて光の吸収を増加させ、Si厚を最小化する方法は、過去2、3年間に広範に研究されてきた(非特許文献1−6を参照)。金属ナノ構造による光の吸収増加は、表面プラズモンポラリトンとして知られる「光」と「金属表面における自由電子の集団振動」とのハイブリダイゼーション(結合)によって誘起される。このプラズモン相互作用は、金属ナノ構造と励起光の特定波長との寸法共鳴(dimensional resonance)によって大きく影響される故に、球、ディスク、あるいはロッドといった特定の形状を持つ単一のナノ構造は、それ自体の表面プラズモン共鳴波長(あるいは、表面プラズモン共鳴周波数)を持つ。従って、単一タイプのナノ構造(すなわち、単一の形状、サイズ、および材料)のみで構成された物体は、単一の共鳴波長の近傍の波長をもつ光を捕捉するために有効である。一般に、光の吸収増加は主として共鳴波長より長い波長において観察される。そのスペクトル幅は、およそ100nmである(非特許文献7−9を参照)。   Methods for combining plasmonic metal nanostructures with solar cells to increase light absorption and minimize Si thickness have been extensively studied in the past few years (see Non-Patent Documents 1-6). The increase in light absorption by the metal nanostructure is induced by hybridization (binding) of “light” known as surface plasmon polariton and “collective vibration of free electrons on the metal surface”. Because this plasmon interaction is greatly influenced by dimensional resonance between the metal nanostructure and the specific wavelength of the excitation light, a single nanostructure with a specific shape, such as a sphere, disk, or rod, It has its own surface plasmon resonance wavelength (or surface plasmon resonance frequency). Thus, an object composed only of a single type of nanostructure (ie, a single shape, size, and material) is effective for capturing light having a wavelength in the vicinity of a single resonance wavelength. In general, an increase in light absorption is mainly observed at wavelengths longer than the resonance wavelength. Its spectral width is approximately 100 nm (see Non-Patent Documents 7-9).

本発明の目的は、類似タイプのナノ構造よりも高い入射光利用効率をもって、より広い波長範囲の光を捕捉する表面プラズモン共鳴を利用して、改良されたナノ構造を提供すると共に、その製造法を提供することである。   It is an object of the present invention to provide improved nanostructures using surface plasmon resonance that captures light in a wider wavelength range with higher incident light utilization efficiency than similar types of nanostructures, and a method for producing the same Is to provide.

本発明の一態様によれば、基板上へ配置された複数の異なるサイズのディスクの積層が提供される。それらのディスクは金属で構成されている。隣接する2つのディスクの間には、それぞれスペースが配置される。
前記金属ディスクは、Au、Ag、Al、Cu、およびPtで構成されるグループのなかから選択してもよい。
前記スペースは、少なくとも部分的には絶縁材で充填してもよい。
前記絶縁材は、SiOであってよい。
1つの層が前記ディスクと絶縁材との間の各界面に配置され、それらの間の接着性を増加させてもよい。
前記層は、Crで構成してもよい。
前記ディスクの直径は、1nmないし1000nmであってよい。
前記ディスクの厚さは、1nmないし500nmであってよい。
隣接する前記ディスク間の分離距離は、1nmないし500nmであってよい。
本発明の別の態様によれば、上に示したような複数の異なるサイズのディスクの積層のアレイが提供される。
この積層は、1nmないし10000nmであってよい。
本発明の別の態様によれば、スペーサーを差し込んで複数の異なるサイズのディスクの積層を作製する方法が提供される。この作製法は、以下のステップで構成される。
(a)1つの孔を持つポリマーの薄膜を基板上へ配置する;
(b)前記ディスクの材料および前記スペーサーの材料をスパッタリングおよび/または蒸着することによって、所定数の前記ディスクおよび前記スペーサーがスパッタリングされるまで、前記薄膜上へ繰り返し堆積する;
(c)前記薄膜を剥離して、スペーサーを差し込んだ複数の異なるサイズのディスクの積層を前記孔のなかへ堆積したものを残す。
前記ディスクの前記材料は、金属であり、前記スペーサーの前記材料は、絶縁材であってよい。
前記金属は、Au、Ag、Al、Cu、およびPtで構成されるグループのなかから選択してもよい。
前記絶縁材は、SiOであってよい。
この方法は、前記ディスクと前記スペーサーとの間の各界面に1つの層を堆積して、それらの間の接着性を増加させるために、他の材料をスパッタリングおよび/または蒸着するステップをさらに含んでもよい。
前記ディスクの前記材料はAu、前記スペーサーの前記材料はSiO、前記他の材料はCrであってよい。
この方法は、その後に行うイオンミリングのための硬質マスクの材料を堆積するステップをさらに含んでもよい。
前記イオンミリングは、Arイオンミリングであってよい。
前記硬質マスクの前記材料は、Crであってよい。
この方法は、等方的にエッチングすることによって部分的に前記スペーサーを除去するステップをさらに含んでもよい。
前記スペーサーは、SiOから作製することができ、前記アイソメトリック(等方的)エッチングは、希釈したフッ化水素酸を用いた湿式エッチングであることができる。
In accordance with one aspect of the present invention, a stack of a plurality of different sized disks disposed on a substrate is provided. These discs are made of metal. Spaces are respectively arranged between two adjacent disks.
The metal disk may be selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Cu, and Pt.
The space may be at least partially filled with an insulating material.
The insulating material may be a SiO 2.
One layer may be placed at each interface between the disk and the insulating material to increase the adhesion between them.
The layer may be composed of Cr.
The diameter of the disk may be 1 nm to 1000 nm.
The disc may have a thickness of 1 nm to 500 nm.
A separation distance between adjacent disks may be 1 nm to 500 nm.
In accordance with another aspect of the present invention, an array of a stack of discs of different sizes as shown above is provided.
This stack may be between 1 nm and 10,000 nm.
In accordance with another aspect of the present invention, a method is provided for making a stack of discs of different sizes by inserting spacers. This manufacturing method includes the following steps.
(A) placing a polymer film with one hole on the substrate;
(B) repeatedly depositing on the thin film until a predetermined number of the disks and spacers are sputtered by sputtering and / or vapor-depositing the disk material and the spacer material;
(C) The thin film is peeled off to leave a stack of discs of different sizes with spacers deposited in the holes.
The material of the disk may be a metal, and the material of the spacer may be an insulating material.
The metal may be selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Cu, and Pt.
The insulating material may be a SiO 2.
The method further includes depositing a layer at each interface between the disk and the spacer and sputtering and / or evaporating other materials to increase adhesion between them. But you can.
The material of the disk may be Au, the material of the spacer may be SiO 2 , and the other material may be Cr.
The method may further include depositing a hard mask material for subsequent ion milling.
The ion milling may be Ar ion milling.
The material of the hard mask may be Cr.
The method may further include the step of partially removing the spacer by isotropic etching.
The spacer can be made of SiO 2 and the isometric etching can be a wet etching using diluted hydrofluoric acid.

本発明によって、より少量のSi消費で高効率の太陽電池を提供することができる。より具体的には、本発明は ナノメートル台以下の極めて薄い区域に集光することができる光増強材料を実現する。本発明の材料を例えば太陽電池に組み込むことによって、より少量の原材料を使用しつつ高効率の太陽電池が得られる。更に、本発明の材料を使用する太陽電池の厚さを引き下げることができる。そのようなデバイスは柔軟なものになる傾向がある。本発明の更なる利点は、本発明による材料の光増強性を利用することによって、感度の高いCCDデバイスなどの光電デバイスを提供することができることである。   According to the present invention, it is possible to provide a highly efficient solar cell with a smaller amount of Si consumption. More specifically, the present invention realizes a light-enhancing material that can concentrate in an extremely thin area below the nanometer range. By incorporating the material of the present invention into a solar cell, for example, a highly efficient solar cell can be obtained while using a smaller amount of raw materials. Furthermore, the thickness of the solar cell using the material of the present invention can be reduced. Such devices tend to be flexible. A further advantage of the present invention is that it can provide a photoelectric device, such as a highly sensitive CCD device, by utilizing the light enhancement of the material according to the present invention.

(a)直径が80、140、および200nmで20nm厚の単一Auディスクにおける正規化された吸収(一点鎖線)、散乱(点線)、および消散(実線)断面積に関する3次元有限差分時間領域法(FDTD)によるシミュレーションの結果、(b)これと同じサイズで20nm厚のSiO中間層を持つ垂直積層Auディスクにおける対応する結果、(c)波長590nm(左)および820nm(右)の入射光に対する3層Auディスクにおける局所電場振幅の二乗強度の分布に関するFDTDシミュレーション結果。入射光および偏光の方向は、それぞれ一方向の矢印、二方向の矢印で表す。(A) 3D finite difference time domain method for normalized absorption (dashed line), scattering (dotted line), and dissipation (solid line) cross sections in a single Au disk with diameters of 80, 140, and 200 nm and 20 nm As a result of simulation by (FDTD), (b) Corresponding result in vertically laminated Au disk having the same size and 20 nm thick SiO 2 intermediate layer, (c) Incident light at wavelengths of 590 nm (left) and 820 nm (right) FDTD simulation results on the distribution of the square strength of the local electric field amplitude in a three-layer Au disk for The directions of incident light and polarized light are represented by a one-way arrow and a two-way arrow, respectively. (a)本発明による作製プロセスの模式図。複数層のCr、Au、およびSiOがリソグラフィでパターン形成したポリマーの孔のアレイ上へ堆積された。剥離した後、ディスクの端面に残った金属残渣は、Arプラズマによってイオンミリングされた。次いで、頂部表面のCrおよびディスク周辺部のSiOが湿式化学溶液でエッチングされた。(b)〜(f)直径が(b)250(底部)/170(中間部)/90(頂部)nm、(c)200/140/80nm、(d)180/110/40nm、(e)160/90/<10nmの3層AuディスクのSEMイメージ。(f)図2(b)の低倍率イメージ。Auディスクのピッチは1μm。(A) A schematic diagram of a fabrication process according to the present invention. Multiple layers of Cr, Au, and SiO 2 were deposited onto the lithographically patterned array of polymer holes. After peeling, the metal residue remaining on the end face of the disk was ion milled by Ar plasma. Next, Cr on the top surface and SiO 2 on the disk periphery were etched with a wet chemical solution. (B)-(f) Diameter is (b) 250 (bottom) / 170 (intermediate) / 90 (top) nm, (c) 200/140/80 nm, (d) 180/110/40 nm, (e) SEM image of 160/90 / <10 nm tri-layer Au disk. (F) Low magnification image of FIG. The pitch of the Au disk is 1 μm. (a)裸のSiウェハと対比して図2(f)の3層Auディスクアレイの散乱強度比を示す図。連続太線は目視上のガイドであり、挿入図は散乱特性を分析するためのビーム経路を示すものである。(b)Si基板上の3層、2層、および単層のディスクにおけるシミュレートされた散乱スペクトルを示す図。何れも裸のSiウェハにおけるシミュレートされた散乱スペクトルで除した値である。3層Auディスクの諸元は図1(b)と同一である。他の2つのナノ構造をモデル化するために、3層ディスクの同一構成要素が使用された。すなわち、単層Auディスクに関しては底部Au層、2層ディスクに関しては隣接する2つのAu層を持つ下部SiO層である。(c)波長が620nm(上)および890nm(下)の入射光に対する単位体積当たりの吸収損失を示す図。入射光および偏光の方向は、それぞれ一方向の矢印、二方向の矢印で表す。左側および右側のイメージは、それぞれSi基板上の3層および単層のAuディスクを示す。(A) A diagram showing the scattering intensity ratio of the three-layer Au disk array of FIG. 2 (f) in comparison with a bare Si wafer. The continuous thick line is a visual guide, and the inset shows the beam path for analyzing the scattering properties. (B) A diagram showing simulated scattering spectra for three-layer, two-layer, and single-layer discs on a Si substrate. All are values divided by the simulated scattering spectrum of a bare Si wafer. The specifications of the three-layer Au disk are the same as in FIG. The same component of a three-layer disc was used to model the other two nanostructures. That is, for a single layer Au disk, it is a bottom Au layer, and for a double layer disk, it is a lower SiO 2 layer having two adjacent Au layers. (C) The figure which shows the absorption loss per unit volume with respect to incident light with a wavelength of 620 nm (top) and 890 nm (bottom). The directions of incident light and polarized light are represented by a one-way arrow and a two-way arrow, respectively. The left and right images show three-layer and single-layer Au disks on a Si substrate, respectively. タッピングモードの原子間力顕微鏡(AFM)から得られた3層Auディスクのトポグラフィのイメージを示す図。AFMイメージのなかの尺度バーは1μm(左)および200nm(右)である。The figure which shows the topography image of the 3 layer Au disk obtained from the atomic force microscope (AFM) of the tapping mode. The scale bars in the AFM image are 1 μm (left) and 200 nm (right). 3層に垂直配置された異なるサイズのAuディスクの積層を作製するプロセスを示す図。そのような積層は、単一電子ビームリソグラフィ、および、それに引き続くスパッタリング堆積によって簡単に生成される。これで、近接した単一共鳴波長を持つ内部ディスクの個別的なスペクトルのウィンドウを併合して、複数の共鳴波長を包含する1つの広帯域ウィンドウにすることによって、プラズモン励起のためのスペクトルのウィンドウを拡大する。図5の下部は、図5の上部に示されたプロセスによって作製された各種サイズの積層を上から見たところを示す。The figure which shows the process which produces the lamination | stacking of the Au disk of a different size arrange | positioned at right angles to three layers. Such a stack is easily generated by single electron beam lithography followed by sputtering deposition. Now, the spectral window for plasmon excitation is obtained by merging the individual spectral windows of the internal disks with close single resonant wavelengths into one broadband window that encompasses multiple resonant wavelengths. Expanding. The lower part of FIG. 5 shows a stack of various sizes produced by the process shown in the upper part of FIG.

本発明は、近接した単一共鳴波長から複数の共鳴波長を包含するものへとプラズモン励起のためのスペクトルのウィンドウを拡大する簡単な構造を提供する。これは、Au、Ag、Al、Cu、およびPtを含むあらゆる種類のプラズモン共鳴を示す金属から作製され、僅かにスペースを空けて配置した幾つかのディスクで構成されるプラズモンナノ構造を創り出すことによって行われる。以下においてはAuのみがプラズモン金属として言及されているが、Auは単にプラズモン金属の典型的な一例であり、他の何れのプラズモン金属によっても代替することができることに注意しなければならない。また、本発明において「ディスク」とは円形のディスクに制限されるものではなく、如何なる形状のものでも良いことにも注意しなければならない。当発明者が知る限りにおいて、本発明は、一般に使用されている2次元形態を採用する代わりに、入射太陽光との広帯域における相互作用のために複数の異なるサイズのAuディスクの垂直積層が配置されているという点で、新規のものである。本発明は、3つのAuディスクを持つ特定の積層によって、一般性を失うことなく説明される。   The present invention provides a simple structure that expands the spectral window for plasmon excitation from an adjacent single resonance wavelength to one that includes multiple resonance wavelengths. This is made by creating plasmon nanostructures composed of several discs made from metals that exhibit all kinds of plasmon resonance, including Au, Ag, Al, Cu, and Pt, and arranged slightly spaced apart Done. In the following, only Au is referred to as the plasmonic metal, but it should be noted that Au is merely a typical example of a plasmonic metal and can be replaced by any other plasmonic metal. In the present invention, it should be noted that the “disk” is not limited to a circular disk, and may have any shape. As far as the inventor knows, instead of adopting the commonly used two-dimensional form, the present invention arranges vertical stacks of Au disks of different sizes for broadband interaction with incident sunlight. It is new in that it has been. The present invention is illustrated without loss of generality by a specific stack with three Au disks.

Auディスクを積層する効果を評価するための第1ステップとして行った、3次元有限差分時間領域法(FDTD)によるシミュレーションの結果が示されている。このシミュレーションのために使用されたツールとセットアップは、明細書の末尾近くで説明されている。図1(a)は、直径が80、140、および200nmで20nm厚の単一Auディスクにおける正規化された吸収(一点鎖線)、散乱(点線)、および消散(実線)断面積を示す。図1(a)に示された鋭いピークによって明白に確認される通り、入射光と単一Auディスク間のプラズモン相互作用は、それらの共鳴波長の近傍に制限されている。本発明においては、そのような単一ディスクを相互に近接して配置することによって、それぞれの個別的なスペクトルのウィンドウを併合して、1つの広帯域ウィンドウにする。図1(b)のなかの挿入図は積層Au複数層ディスクを例示している。個別的な内部ディスクの諸元は、図1(a)に示された単一ディスクと同一である。隣接するディスクは、例えば20nm厚のSiO中間層といったスペーサーによって分離されている。SiO以外の材料も、それらが光に対して透明で電気絶縁特性を持っている限り、スペーサーとして使用することができる。図1(b)の3層Auディスクの消散曲線は、3つの顕著なピークを波長580、680、および840nmにおいて明白に示している。密に積層したディスクの近接場電磁カップリングの故に、3つの散乱ピークの位置は孤立した単一ディスクにおける当初位置から若干、赤側へシフトしている。同じ理由から、2つの吸収ピークが波長580および820nmにおいて発現している。図1(c)に示された|E/Eのマップにおいて、EおよびEは、それぞれ入射電場および増強電場の振幅を表しているが、このマップは、局所増強電場が隣接したAuディスク間にあることを示している。これはプラズモン増強センサーにおける応用に役立つ可能性がある(非特許文献10−13を参照)。また、有機分子によるプラズモン支援光電流の発生における応用にも役立つであろう(非特許文献14および15を参照)。 A simulation result by a three-dimensional finite difference time domain method (FDTD) performed as a first step for evaluating the effect of stacking Au disks is shown. The tools and setup used for this simulation are described near the end of the specification. FIG. 1 (a) shows the normalized absorption (dashed line), scattering (dotted line), and dissipated (solid line) cross sections for single Au disks with diameters of 80, 140, and 200 nm and 20 nm thickness. As clearly seen by the sharp peaks shown in FIG. 1 (a), the plasmon interaction between the incident light and the single Au disk is limited to the vicinity of their resonant wavelength. In the present invention, by placing such single disks in close proximity to each other, the windows of each individual spectrum are merged into one broadband window. The inset in FIG. 1B illustrates a laminated Au multi-layer disc. The specifications of the individual internal disk are the same as the single disk shown in FIG. Adjacent disks are separated by spacers such as a 20 nm thick SiO 2 interlayer. Materials other than SiO 2 can also be used as spacers as long as they are transparent to light and have electrical insulating properties. The extinction curve of the three-layer Au disk of FIG. 1 (b) clearly shows three prominent peaks at wavelengths 580, 680 and 840 nm. Due to the near-field electromagnetic coupling of the closely stacked disks, the position of the three scattering peaks is slightly shifted to the red side from the initial position in the isolated single disk. For the same reason, two absorption peaks appear at wavelengths 580 and 820 nm. In the map of | E / E 0 | 2 shown in FIG. 1 (c), E 0 and E represent the amplitudes of the incident electric field and the enhanced electric field, respectively, but this map is adjacent to the local enhanced electric field. It is shown that there is between Au disks. This may be useful for applications in plasmon enhancement sensors (see Non-Patent Documents 10-13). It will also be useful for applications in the generation of plasmon-assisted photocurrents by organic molecules (see Non-Patent Documents 14 and 15).

Auディスク間のプラズモンカップリングは、隣接ディスク間のスペースの取り方を変えることによって調整することができる。SiO層の厚さを増加させることによって、Auディスク間のカップリングが次第に切り離される。それに伴って、吸収ピークの強度および散乱ピークのシフトは、表1に示した通り、何れも低下する。この表は、各種の中間SiO層を持つ3層Auディスクにおける散乱ピークの位置を示している。中間SiO層の厚さは、15から40nmにまで変化した。Auディスク自体の諸元は変更していない(直径=80(頂部)、140(中間)、200(底部)nm、何れも厚さ=20nm)。表1は、何故に散乱ピークがシフトするのかを理解するために挿入されたものである。この現象は、光の吸収におけるスペクトルの範囲を調整するために利用することができる。ディスク径、ディスク厚、およびディスク分離の望ましい範囲は、それぞれ1nmから1000nm、1nmから500nm、および1nmから500nmであろう。 Plasmon coupling between Au disks can be adjusted by changing the space between adjacent disks. By increasing the thickness of the SiO 2 layer, the coupling between the Au disks is gradually disconnected. Along with this, as shown in Table 1, both the intensity of the absorption peak and the shift of the scattering peak decrease. This table shows the position of the scattering peak in a three-layer Au disk having various intermediate SiO 2 layers. The thickness of the intermediate SiO 2 layer varied from 15 to 40 nm. The specifications of the Au disk itself have not been changed (diameter = 80 (top), 140 (intermediate), 200 (bottom) nm, all thickness = 20 nm). Table 1 is inserted to understand why the scattering peaks shift. This phenomenon can be used to adjust the spectral range in light absorption. Desirable ranges for disk diameter, disk thickness, and disk separation would be 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 500 nm, and 1 nm to 500 nm, respectively.

このようなシミュレーション結果を基にして、3層Auディスクは、単一ディスクよりも広範なスペクトル帯域の光と相互作用するものと期待される。加えて、太陽電池表面における金属ナノ構造の面積密度に関しても、垂直積層Auディスクは、横方向に分散配置したディスクよりも望ましい。これは、余りに数多くの金属ナノ構造を太陽電池上に設けると、シャドウイングの問題が発生する故である(非特許文献8を参照)。   Based on such simulation results, the three-layer Au disk is expected to interact with light in a wider spectral band than a single disk. In addition, with respect to the area density of the metal nanostructures on the surface of the solar cell, the vertically stacked Au disk is more desirable than the disk dispersed in the lateral direction. This is because a shadowing problem occurs when too many metal nanostructures are provided on a solar cell (see Non-Patent Document 8).

複数層Auナノ構造を形成するためには、図2(a)に示された作製プロセスを使用することができる。図2(a)に示された通り、スパッタリングプロセスによる薄膜堆積においては常に、パターン形成されたポリマー孔の周辺にオーバーハング構造が発展する。これはスパッタリングされた原子の一部が途中で散乱して垂直方向以外の方向からも入射してくる故である。このため、金属剥離プロセスにおいては一般に、スパッタリングプロセスの代わりに、電子ビームあるいは熱蒸着が使用される。これは、リソグラフィによって形成されたパターンの当初の形状とサイズを維持するためである。本発明においては、異なるサイズを持つAuディスクの垂直積層を形成するために、オーバーハング構造によるパターン形成孔の連続的な収縮が意図的に採用された。この目的のために、図2(a)に示された通り、Au、SiO、およびCrの複数層がスパッタリングによって堆積された。20nm厚のAuおよびSiOが真空破壊を行うことなく、交互に堆積された。Auの接着を改善するために、2nm厚のCr層もAuとSiO層間の各界面へ組み込まれた。Crは金属ナノ構造の光学特性を劣化させると知られているので(非特許文献16および17を参照)、界面Crの厚さは最小化した。しかしながら、頂部表面においては、10nm厚のCrが堆積された。これは、その後に行うArイオンミリングのための硬質マスクとして使用するためである。このArイオンミリングは、スパッタリング堆積が行なわれ、更に剥離が行なわれた後、Auディスクの周辺に残った金属残渣を取り除くために実施されるものである。スパッタリング堆積が行なわれている間、スパッタリング堆積される原子の蒸気相における散乱および表面拡散によって、薄膜堆積という形態で金属残渣が生成される。それはパターン形成された呼称直径を超えて伸長する(非特許文献13および18を参照)。このプロセスの詳細は、明細書の末尾近くで説明されている。 In order to form a multi-layer Au nanostructure, the fabrication process shown in FIG. 2 (a) can be used. As shown in FIG. 2 (a), an overhang structure always develops around the patterned polymer hole in thin film deposition by sputtering process. This is because some of the sputtered atoms are scattered in the middle and enter from directions other than the vertical direction. For this reason, electron beam or thermal evaporation is generally used in metal stripping processes instead of sputtering processes. This is to maintain the original shape and size of the pattern formed by lithography. In the present invention, in order to form a vertical stack of Au disks having different sizes, continuous shrinkage of pattern forming holes by an overhang structure was intentionally employed. For this purpose, multiple layers of Au, SiO 2 and Cr were deposited by sputtering, as shown in FIG. 2 (a). 20 nm thick Au and SiO 2 were alternately deposited without vacuum break. In order to improve the adhesion of Au, a 2 nm thick Cr layer was also incorporated into each interface between the Au and SiO 2 layers. Since Cr is known to degrade the optical properties of the metal nanostructure (see Non-Patent Documents 16 and 17), the thickness of the interface Cr was minimized. However, 10 nm thick Cr was deposited on the top surface. This is for use as a hard mask for subsequent Ar ion milling. This Ar ion milling is performed to remove metal residues remaining around the Au disk after sputtering deposition and further peeling. During sputtering deposition, metal residues are produced in the form of thin film deposition by scattering and surface diffusion in the vapor phase of the atoms deposited by sputtering. It extends beyond the patterned nominal diameter (see Non-Patent Documents 13 and 18). Details of this process are described near the end of the specification.

言うまでもないが、図2(a)に示された基板は特別の構造を持たない単純な基板として描かれてはいるが、これは単に説明の単純化のためである。もしも本発明のAuディスクの積層が太陽電池に適用されたとすれば、基板は太陽電池に適した構造を持っている筈である。もしもAuディスクの積層が他の用途で使用されたとすれば、そのような用途に応じた構造を基板は持つことになる。加えて、上の説明においてはスパッタリングプロセスが層を堆積するために使用されているが、図2(a)に示されたようなオーバーハング構造が当該プロセスにおいて成長する限り、蒸着など他のプロセスも、スパッタリングプロセスの代わりに、あるいは、それと組み合わせて使用することができる。   Needless to say, the substrate shown in FIG. 2A is depicted as a simple substrate having no special structure, but this is merely for the sake of simplicity. If the Au disk stack of the present invention is applied to a solar cell, the substrate should have a structure suitable for the solar cell. If the Au disk stack is used for other purposes, the substrate will have a structure for such use. In addition, while in the above description a sputtering process is used to deposit the layer, other processes such as vapor deposition can be used as long as an overhang structure as shown in FIG. Can also be used instead of or in combination with the sputtering process.

図2(b)〜(f)に示された走査電子顕微鏡(SEM)イメージは、Arイオンミリングを行い、更にCrおよびSiOの湿式化学エッチングを行った後で観察されたものである。このイメージは、階段状およびテラス状の3層Auディスクが成功裏に生成されたことを示している。中間SiOの周辺は、希釈したフッ化水素(HF)酸(1%の水溶液)を用いたエッチングで削り取られている。これはAuディスクの端面が明瞭に表れていることで確認される通りである。しかしながら、サンプルが長時間(30分を超える)にわたってエッチングされない限り、SiOの中央部は残って、隣接したAuディスク間において所定の分離を維持する。そのような中間SiOの部分的エッチングは、このSiO層が極めて薄いため、HF酸への暴露が制限され、エッチング速度が低下する故であろうと考えられる。 Scanning electron microscope (SEM) images shown in FIGS. 2B to 2F are observed after Ar ion milling and further wet chemical etching of Cr and SiO 2 . This image shows that a stepped and terraced three-layer Au disk was successfully produced. The periphery of the intermediate SiO 2 is scraped off by etching using diluted hydrofluoric acid (HF) acid (1% aqueous solution). This is as confirmed by the fact that the end face of the Au disk appears clearly. However, as long as the sample is not etched for a long time (greater than 30 minutes), the central portion of SiO 2 remains and maintains a predetermined separation between adjacent Au disks. It is believed that such partial etching of the intermediate SiO 2 may be because the SiO 2 layer is so thin that exposure to HF acid is limited and the etching rate is reduced.

加えて、図2(a)はただ1つのディスクを示しているに過ぎないが、図2(f)に示された低倍率のSEMイメージは、数多くの垂直積層ディスクのアレイが1つの基板上へ配置されているところを示している。積層ディスク間の好ましい空きスペースの範囲は、積層ディスクの横幅の0.1ないし10倍である。図2(c)に示された特定の例においては、好ましいスペース設定の範囲は20nmから2000nmである。より一般的に述べると、望ましいスペース設定の範囲は1nmから10000nmである。   In addition, while FIG. 2 (a) shows only one disk, the low magnification SEM image shown in FIG. 2 (f) shows that an array of many vertically stacked disks is on one substrate. It shows where it is arranged. A preferred range of free space between the laminated disks is 0.1 to 10 times the lateral width of the laminated disks. In the specific example shown in FIG. 2 (c), the preferred space setting range is 20 nm to 2000 nm. More generally stated, a desirable space setting range is 1 nm to 10,000 nm.

図4に示されている通り、原子間力顕微鏡(AFM)から得られたトポグラフィのデータは、各階層の段差がAu、SiO、およびCr層の厚さの合計と良く適合していることを示している。ここで提案している作製プロセスにおいては、各内部ディスクの中心軸は自己整合される。この点で、すべての基板のパターンを整合させるためには細心の注意を払って行うステップを必要とする電子ビームによるリソグラフィの一般的なプロセスとは大きく異なる。 As shown in FIG. 4, the topography data obtained from the atomic force microscope (AFM) shows that the steps in each layer are well matched with the total thickness of the Au, SiO 2 , and Cr layers. Is shown. In the manufacturing process proposed here, the central axis of each internal disk is self-aligned. In this respect, it is very different from the general electron beam lithography process, which requires careful steps to align all substrate patterns.

更に、図2(b)〜(e)にある一連のSEMイメージに示されている通り、Auナノ構造の諸元を変えて、例えばSi 太陽電池へのSi反射防止層の挿入などのような周辺の誘電条件の変化に共鳴周波数を適合させることが可能である。それは単に、底部ディスクの直径を規定するレジスト孔のサイズを調整することで実行することができる。 Further, as shown in a series of SEM images in FIGS. 2B to 2E, the specifications of the Au nanostructure are changed, for example, insertion of an Si 3 N 4 antireflection layer into a Si solar cell, etc. It is possible to adapt the resonance frequency to changes in the surrounding dielectric conditions such as It can be done simply by adjusting the size of the resist holes that define the diameter of the bottom disk.

入射光との広域相互作用に関する3層Auディスクアレイの有用性を実証するために、図2(f)に示されたナノ構造のサンプルから得られた散乱スペクトルが分析された。UV−NIR光源を用いる共焦点顕微鏡を使用して、散乱強度を観察した。サンプルは、図3(a)の挿入図に示されている通り、過度に強い反射光を排除するために、入射光の方向に対して斜めに(およそ30°)傾けて搭載した。Auナノ構造の効果を分離するために、3層Auディスクアレイから得られた散乱スペクトルは、Auディスクの面積比(全表面積の約4%)でウエイトを付けた上で、裸のSi表面からの散乱スペクトルによって除された。結果は、図3(a)に示されている通りである。   In order to demonstrate the usefulness of a three-layer Au disk array for wide area interaction with incident light, the scattering spectrum obtained from the nanostructured sample shown in FIG. 2 (f) was analyzed. Scattering intensity was observed using a confocal microscope using a UV-NIR light source. As shown in the inset of FIG. 3A, the sample was mounted obliquely (approximately 30 °) with respect to the direction of the incident light in order to exclude excessively strong reflected light. In order to isolate the effect of the Au nanostructure, the scattering spectrum obtained from the three-layer Au disk array was weighted with the Au disk area ratio (about 4% of the total surface area) and then from the bare Si surface. Divided by the scattering spectrum. The result is as shown in FIG.

第1に、図3(a)は明白に、本発明によるAuナノ構造においては、裸のSiに比して、より強い散乱が広い波長範囲にわたって得られることを示している。加えて、図3(a)に示された3つの顕著なピークは、図1(b)に示されたシミュレーションによる散乱スペクトルにおける3つの極大値に対応している。但し、かなり大きな赤側へのシフトがあるが、これはSi基板が高指数である故である。周辺の誘電条件の影響は、Si基板上の3層Auディスクのアレイをモデル化した別のFDTDシミュレーションによって確認された(シミュレーションの詳細は実験のセクションにおいて示す)。図3(b)に示されている通り、Si基板上の3層Auディスクから得られた散乱曲線は、上と同じく裸のSi表面の散乱スペクトルで除した形にすると、3つの特徴的なピークを示している。そのようなピークの位置は、図3(a)の実験データに極めて近い。図3(b)の他の2つの曲線は、Si基板上の2層および単層のAuディスクに関するシミュレーションによって得られた散乱スペクトルを表す。それは、ピークの個数および位置は内部Auディスクの個数と諸元によって決定されることを示している。また、2層および3層ディスクの散乱強度は単一ディスクに比して大幅に改善されることは注目に値する。   First, FIG. 3 (a) clearly shows that stronger scattering is obtained over a wider wavelength range in Au nanostructures according to the present invention compared to bare Si. In addition, the three prominent peaks shown in FIG. 3 (a) correspond to the three maxima in the scattering spectrum from the simulation shown in FIG. 1 (b). However, there is a considerably large shift toward the red side because the Si substrate has a high index. The influence of the surrounding dielectric conditions was confirmed by another FDTD simulation that models an array of three-layer Au disks on a Si substrate (simulation details are given in the experimental section). As shown in FIG. 3 (b), the scattering curve obtained from the three-layered Au disk on the Si substrate is divided into three characteristics when divided by the scattering spectrum of the bare Si surface. It shows a peak. The position of such a peak is very close to the experimental data of FIG. The other two curves in FIG. 3 (b) represent the scattering spectra obtained by simulation for two-layer and single-layer Au disks on the Si substrate. It indicates that the number and position of the peaks are determined by the number and specifications of the internal Au disk. It is also noteworthy that the scattering intensity of the two-layer and three-layer discs is greatly improved compared to a single disc.

図3(a),(b)に見られる実験データとシミュレーションデータ間の残余の差異は、恐らく残存Crの影響、イオンミリングプロセスで粗になった金属表面、および、不正確なSiO量の見積りに起因するものであろうと信じられる。FDTDシミュレーションのモデルにおいては、SiOの直径は当該SiO層の直ぐ上にあるAuディスクの直径の45%であると想定された。残存Crおよび粗になった表面が影響を与える可能性は何れもモデルにおいては考慮されなかった。これは複雑さを制限し、過剰な調整パラメータの個数を減らすためである。 The residual differences between the experimental and simulation data seen in FIGS. 3 (a) and 3 (b) are probably due to the effects of residual Cr, metal surfaces roughened by the ion milling process, and inaccurate SiO 2 content. It is believed that this is due to estimates. In the model of FDTD simulations it was assumed diameter of SiO 2 is 45% of the diameter of the Au disk that is immediately above the said SiO 2 layer. None of the possible effects of residual Cr and roughened surfaces were considered in the model. This is to limit complexity and reduce the number of excess tuning parameters.

最後に、図3(a),(b)に示された測定上および計算上の散乱強度は、何れも空気中でモニターされたものであり、すべての散乱のうちの僅かな部分のみを表すものであることに注意するべきである。何故なら、プラズモン型のナノ構造によって散乱される光子は選択的に高指数基板の方向へ向きが変えられるからである(非特許文献1および4を参照)。これは疑問の余地なく、光のエネルギーの効率的な吸収にとって有利なことである。目に見える実例として、単位体積当たりの吸収損失に関する2次元プロットが図3(c)に示されている。これはポインティング・ベクトル(Poynting vector)の発散から計算されたものであり(非特許文献19を参照)、入射光はAuナノ構造の下にあるSiのなかへ集中的に吸収されることを実証している。更に、複数層構造(図3(c)の左側のイメージ)の方が単層プラズモン構造(図3(c)の右側のイメージ)よりも、光をより大きな範囲へと送り込む故に、光のエネルギー吸収のために、より効果的であることは明白である。これはまた、図3(b)に関連して上で検討した散乱強度とも整合している。そのような事実は明白に、旧来の2次元パターンに比して、3次元積層プラズモン構造を使用する利点を指し示すものである。具体的な設計要素、例えばAuナノ構造の面積密度や諸元、あるいは、実用太陽電池において、それらを配置する位置などは、高効率で光を捕集するために更なる最適化が可能であろう。   Finally, the measured and calculated scatter intensities shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) are both monitored in air and represent only a small portion of all scatter. It should be noted that This is because the photons scattered by the plasmon-type nanostructure are selectively redirected toward the high index substrate (see Non-Patent Documents 1 and 4). This is unquestionably advantageous for efficient absorption of light energy. As a visible example, a two-dimensional plot of absorption loss per unit volume is shown in FIG. This is calculated from the divergence of the pointing vector (see Non-Patent Document 19) and demonstrates that incident light is intensively absorbed into Si under the Au nanostructure. doing. Furthermore, since the multi-layer structure (the image on the left side of FIG. 3C) sends light to a larger range than the single-layer plasmon structure (the image on the right side of FIG. 3C), the light energy It is clear that it is more effective for absorption. This is also consistent with the scattering intensity discussed above in connection with FIG. 3 (b). Such a fact clearly points to the advantage of using a three-dimensional stacked plasmon structure over traditional two-dimensional patterns. Specific design elements, such as the area density and specifications of Au nanostructures, or the positions where they are placed in practical solar cells can be further optimized to collect light with high efficiency. Let's go.

リソグラフィとスパッタリング堆積というシンプルなステップを踏むことで3層Auディスクを作るこの作製プロセスの実施例を以下で説明する。Au/SiOの複数層のスパッタリング堆積、および、それがオーバーハングしているという構造は、Auディスクの直径の自己調整を可能にする。また、それらの中心軸の自己整合をも可能にする。単一プラズモン型のナノ構造に比して、3層Auディスクは、広帯域のスペクトル帯域を持つ光との強い相互作用を示す。これは数値的な電磁シミュレーションによって検証されている。また、それは、図1および3に示したような相対的な散乱特性の直接観察によっても検証されている。そのような結果を考慮すると、本発明によるAuナノ構造は、広帯域の光を収穫することを通じて、高効率のSi太陽電池にとって有用なものになると期待される。 An example of this fabrication process for making a three-layer Au disk by taking the simple steps of lithography and sputtering deposition is described below. Sputter deposition of multiple layers of Au / SiO 2 and the structure that it is overhanging allows self-tuning of the diameter of the Au disk. It also enables self-alignment of their central axes. Compared to a single plasmon-type nanostructure, a three-layer Au disk exhibits a strong interaction with light having a broad spectral band. This has been verified by numerical electromagnetic simulation. It has also been verified by direct observation of relative scattering properties as shown in FIGS. In view of such results, the Au nanostructure according to the present invention is expected to be useful for high-efficiency Si solar cells through harvesting broadband light.

[3層Auディスクの作製]
2層のレジスト積層を作るために、100nm厚のポリメチルグルタルイミド(polymethylglutarimide)(PMGI、MicroChem)がSi基板上へスピンコートされ、180℃で3分間、焼き付けられた。次いで、50nm厚のZEP(ZEP520A、日本ゼオン株式会社)というレジストが、そのPMGI上へスピンコートされ、180℃で3分間、焼き付けられた。電子ビーム露光が、ビーム加速電圧50 KeVで、実施された。このZEPというレジスト(ZED−N50、日本ゼオン株式会社)が商業的開発会社によって開発された後は、サンプルはアルカリ水溶液(NMD−3、JSR Micro)のなかへ5秒間、浸漬され、そこでPMGIのアンダーカット断面形状が形成された。次いで、10nm Cr(頂部)/(20nm Au/2nm Cr/20nm SiO/2nm Cr)x2/20nm Au/2nm Cr(底部)という構造を持つ複数層が、パターン形成されたポリマーのテンプレート上へ、10−7Paを下回るベース圧力を持つマグネトロン・スパッタリングによって堆積された。アセトンのなかで剥離し、PMGIをNMD−3のなかで除去した後、Auディスク近傍の金属残渣をArプラズマでエッチングした。最後に、Cr層およびSiO2層がCrエッチング溶液(HClOと(NH[Ce(NO]の混合液)および希釈したフッ化水素酸(1%のHF水溶液)を用いて化学的に除去された。Si基板上へ作り込まれたAuディスクアレイは、走査顕微鏡(SU−8000,Hitachi)およびタッピンモードの原子間力顕微鏡(L−tracell、Sll NanoTechnology Inc.)で確認された。
[Production of three-layer Au disk]
To make a bilayer resist stack, 100 nm thick polymethylglutarimide (PMGI, MicroChem) was spin coated onto a Si substrate and baked at 180 ° C. for 3 minutes. Next, a 50 nm thick resist called ZEP (ZEP520A, Nippon Zeon Co., Ltd.) was spin-coated on the PMGI and baked at 180 ° C. for 3 minutes. Electron beam exposure was performed with a beam acceleration voltage of 50 KeV. After this ZEP resist (ZED-N50, Nippon Zeon Co., Ltd.) was developed by a commercial development company, the sample was immersed in an aqueous alkaline solution (NMD-3, JSR Micro) for 5 seconds, where PMGI An undercut cross-sectional shape was formed. Then, 10 nm Cr (top) / to (20nm Au / 2nm Cr / 20nm SiO 2 / 2nm Cr) x2 / 20nm Au / 2nm Cr plurality of layers having the structure of (bottom) is, on the template polymer that is patterned, Deposited by magnetron sputtering with a base pressure below 10 −7 Pa. After peeling off in acetone and removing PMGI in NMD-3, the metal residue near the Au disk was etched with Ar plasma. Finally, the Cr layer and the SiO 2 layer were formed using a Cr etching solution (mixed solution of HClO 4 and (NH 4 ) 2 [Ce (NO 3 ) 6 ]) and diluted hydrofluoric acid (1% HF aqueous solution). Chemically removed. The Au disk array fabricated on the Si substrate was confirmed with a scanning microscope (SU-8000, Hitachi) and a tapping mode atomic force microscope (L-tracell, Sill NanoTechnology Inc.).

[散乱スペクトルの分析]
散乱スペクトルの測定は、共焦点顕微鏡(alpha300S、WITec)、UV−NIR光源(DH−2000−BAL、Ocean Optics)、およびスペクトロメーター(Acton SP2300、Princeton Instruments)を用いて実施された。サンプルからの散乱光の強度は1秒間、集積された。それを120回、繰り返して、平均値を得た。
[Analysis of scattering spectra]
The measurement of the scattering spectrum was performed using a confocal microscope (alpha300S, WItec), a UV-NIR light source (DH-2000-BAL, Ocean Optics), and a spectrometer (Acton SP2300, Princeton Instruments). The intensity of scattered light from the sample was accumulated for 1 second. This was repeated 120 times to obtain an average value.

[電磁シミュレーション]
電磁シミュレーションは、3次元有限差分時間領域法のソフトウェア(Lumerical FDTD solution 6.5)を用いて実施された。図1に示された吸収および散乱シミュレーションのために、グリッドは1.0nmの立方体格子に設定された。完全適合層(perfectly matched layers、PML)が境界条件として使用された。孤立したナノ構造が空気の均一媒質のなかへ配置され、線形偏光平面波を用いて上から照射された。Auナノ構造を包み込む3次元モニターボックスが散乱および吸収パワーを計算するために使用された。図3に示されたSi基板上のAuナノ構造からの吸収損失および散乱スペクトルを計算するためには、周期的境界条件が横方向に使用されて、アレイ構造がモデル化された。垂直方向にはPML条件が使用された。上記のモデルと同一の光源が使用され、サンプルから空気中への散乱パワーを得るための2次元モニター装置がSi表面から200nm上方へ配置された。
[Electromagnetic simulation]
The electromagnetic simulation was performed using 3D finite difference time domain method software (Lumeral FDTD solution 6.5). For the absorption and scattering simulations shown in FIG. 1, the grid was set to a 1.0 nm cubic lattice. Perfectly matched layers (PML) were used as boundary conditions. Isolated nanostructures were placed in a uniform medium of air and irradiated from above using linearly polarized plane waves. A three-dimensional monitor box enclosing the Au nanostructure was used to calculate the scattering and absorption power. In order to calculate the absorption loss and scattering spectra from the Au nanostructure on the Si substrate shown in FIG. 3, the periodic boundary conditions were used in the lateral direction to model the array structure. PML conditions were used in the vertical direction. The same light source as the above model was used, and a two-dimensional monitor device for obtaining scattering power from the sample into the air was disposed 200 nm above the Si surface.

詳細に説明されている通り、本発明の垂直プラズモン型のディスク積層は、以下のものを含む広範な種類のデバイスにおいて使用することができるが、以下のものに限定されない。
(1)フレキシブルな薄膜タイプの太陽電池;
(2)CCD(電荷結合素子、charge−coupled device)を用いたイメージセンサーなどの光電デバイス;
(3)SERS(表面増強ラマン散乱、surface enhanced Raman scattering)を基にしたセンサー;
(4)SEIRA(表面増強赤外吸収、surface−enhanced Infrared absorption)センサー。
As described in detail, the vertical plasmon type disk stack of the present invention can be used in a wide variety of devices including, but not limited to:
(1) Flexible thin film type solar cell;
(2) a photoelectric device such as an image sensor using a CCD (charge-coupled device);
(3) A sensor based on SERS (surface enhanced Raman scattering);
(4) SEIRA (Surface-Enhanced Infrared Absorption) sensor.

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Claims (20)

複数の異なるサイズを有することにより異なる表面プラズモン共鳴周波数を有するディスクの積層であって、基板上へ配置され、前記ディスクはプラズモン金属で構成されるとともに、前記基板から離れるにつれてディスクサイズが小さくなるように前記基板に垂直方向に積層され、かつ前記ディスクが相互に垂直方向に積層され、前記ディスクの各隣接ペア間には絶縁材からなるスペーサーが設けられている、積層。 A stack of disks having different surface plasmon resonance frequencies by having a plurality of different sizes, wherein the disks are arranged on a substrate, the disk is made of plasmon metal , and the disk size decreases as it moves away from the substrate And the substrate is stacked vertically, and the disks are stacked vertically with each other , and a spacer made of an insulating material is provided between adjacent pairs of the disks. 前記プラズモン金属はAu、Ag、Al、Cu、およびPtで構成されるグループから選択される、請求項1に記載の積層。   The stack of claim 1, wherein the plasmonic metal is selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Cu, and Pt. 前記絶縁材はSiO である、請求項1又は2に記載の積層。 The laminate according to claim 1, wherein the insulating material is SiO 2 . 1つの層が前記ディスクと前記スペーサーとの間の各界面に配置され、それらの間の接着性を増加させる、請求項1乃至3のいずれかに記載の積層。 4. Laminate according to any of claims 1 to 3, wherein one layer is disposed at each interface between the disk and the spacer to increase the adhesion between them . 前記層はCrで構成される、請求項4に記載の積層。 The laminate according to claim 4 , wherein the layer is made of Cr . 前記ディスクの直径は1nmないし1000nmである、請求項1乃至5のいずれかに記載の積層。 The lamination according to any one of claims 1 to 5, wherein the disk has a diameter of 1 nm to 1000 nm . 前記ディスクの厚さは1nmないし500nmである、請求項1乃至6のいずれかに記載の積層。 The lamination according to any one of claims 1 to 6, wherein the disc has a thickness of 1 nm to 500 nm . 前記ディスクのうち隣接するディスク間の分離距離は、1nmないし500nmである、請求項1乃至7のいずれかに記載の積層。 The lamination according to any one of claims 1 to 7, wherein a separation distance between adjacent disks among the disks is 1 nm to 500 nm . 請求項1乃至8のいずれかに記載された前記複数の異なるサイズのディスクの積層からなるアレイ 9. An array comprising a stack of the plurality of different sized disks according to any one of claims 1-8 . 前記積層のピッチは1nmないし10000nmである、請求項9に記載のアレイ。 The array according to claim 9, wherein the stacking pitch is 1 nm to 10,000 nm . 絶縁材からなるスペーサーを差し込んで複数の異なるサイズのプラズモン金属からなり、前記複数の異なるサイズを有することにより異なる表面プラズモン共鳴周波数を有するディスクの積層を作製する方法であって、以下のステップを含む方法。A method for producing a stack of disks made of a plurality of different sized plasmon metals by inserting spacers made of an insulating material and having different surface plasmon resonance frequencies by having the plurality of different sizes, comprising the following steps: Method.
(a)1つの孔を持つポリマーの薄膜を基板上へ配置する;(A) placing a polymer film with one hole on the substrate;
(b)前記ディスクの材料および前記スペーサーの材料をスパッタリングおよび/または蒸着することによって、所定数の前記ディスクおよび前記スペーサーがスパッタリングされるまで、前記薄膜上及び前記孔の縁へ、並びに前記孔を介して前記基板上へ繰り返し堆積する;(B) Sputtering and / or evaporating the disk material and the spacer material until the predetermined number of disks and spacers are sputtered on the thin film and to the edge of the hole, and the hole. Repeatedly depositing on the substrate via;
(c)前記薄膜を剥離して、スペーサーを差し込んで複数の異なるサイズのディスクの積層を前記孔のなかへ堆積したものを後へ残す。(C) The thin film is peeled off, and a spacer is inserted to leave behind a stack of a plurality of discs of different sizes deposited in the holes.
前記プラズモン金属は、Au、Ag、Al、Cu、およびPtで構成されるグループのから選択される、請求項11に記載の方法 The method of claim 11, wherein the plasmonic metal is selected from the group consisting of Au, Ag, Al, Cu, and Pt . 前記絶縁材はSiO である、請求項11又は12に記載の方法。 The method according to claim 11, wherein the insulating material is SiO 2 . 前記ディスクと前記スペーサーとの間の各界面に1つの層を堆積して、それらの間の接着性を増加させるために、他の材料をスパッタリングおよび/または蒸着するステップをさらに含む、請求項11乃至13のいずれかに記載の方法。 12. The method further comprises depositing one layer at each interface between the disk and the spacer and sputtering and / or evaporating other materials to increase adhesion between them. 14. The method according to any one of 13 to 13 . 前記ディスクの前記材料はAu、前記スペーサーの前記材料はSiO 、前記他の材料はCrである、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14 , wherein the material of the disk is Au, the material of the spacer is SiO 2 , and the other material is Cr . その後に行うイオンミリングのための硬質マスクの材料を堆積するステップをさらに含む、請求項11乃至15のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 11, further comprising depositing a hard mask material for subsequent ion milling . 前記イオンミリングはArイオンミリングである、請求項16に記載の方法。 The method of claim 16 , wherein the ion milling is Ar ion milling . 前記硬質マスクの前記材料はCrである、請求項16又は17に記載の方法。 The method according to claim 16 or 17, wherein the material of the hard mask is Cr . 等方的エッチングという方法によって部分的に前記スペーサーを除去するステップをさらに含む、請求項11乃至18のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 11, further comprising a step of partially removing the spacer by a method called isotropic etching . 前記スペーサーはSiO から作製し、前記等方的エッチングは希釈したフッ化水素酸を用いた湿式エッチングである、請求項19に記載の方法。
The spacer is made of SiO 2, the isotropic etching is a wet etching using hydrofluoric acid diluted method of claim 19.
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