JP6094961B2 - Plasmon chip - Google Patents
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Description
本発明は、プラズモンチップに関する。さらに詳しくは、金属中の自由電子の集団的振動であるプラズモンを利用した、光学フィルタやセンサなどとして用いられるプラズモンチップに関する。 The present invention relates to a plasmon chip. More specifically, the present invention relates to a plasmon chip used as an optical filter, a sensor or the like using plasmons which are collective vibrations of free electrons in a metal.
光の波長程度またはそれ以下の金属微細構造物に光を照射すると局在プラズモン共鳴が生じ、特定の波長の光が透過または反射されることが知られている。また、金属微細構造物の寸法や形状、構造に依存して、透過または反射される光の波長が異なることも知られている。例えば、非特許文献１には、金属微小球対において、様々な微小球間距離における光吸収効率を求めており、微小球間距離が小さくなるにしたがってプラズモン共鳴波長が長波長側にシフトしていくことが記載されている。 It is known that localized plasmon resonance occurs when a metal microstructure having a wavelength equal to or less than the wavelength of light is irradiated, and light having a specific wavelength is transmitted or reflected. It is also known that the wavelength of transmitted or reflected light varies depending on the size, shape, and structure of the metal microstructure. For example, Non-Patent Document 1 calculates the light absorption efficiency at various distances between microspheres in metal microsphere pairs. As the distance between microspheres becomes smaller, the plasmon resonance wavelength shifts to the longer wavelength side. It is described to go.
一方、近年の微細加工技術の発達に伴い、金属微細構造を高精度で加工することが可能となっており、所望のプラズモン共鳴波長を有するチップを得ることが可能となっている。
しかし、従来のチップは、その金属微細構造が固定されており、１つのチップは特定のプラズモン共鳴波長しか有しないものであった（例えば、特許文献１）。すなわち、１つのチップが透過または反射する光の波長は固定されていた。そのため、透過または反射させる光の波長を変更するためには、チップを交換する必要があった。
On the other hand, with the recent development of microfabrication technology, it is possible to process a metal microstructure with high accuracy, and it is possible to obtain a chip having a desired plasmon resonance wavelength.
However, the conventional chip has its metal microstructure fixed, and one chip has only a specific plasmon resonance wavelength (for example, Patent Document 1). That is, the wavelength of light transmitted or reflected by one chip is fixed. Therefore, in order to change the wavelength of light to be transmitted or reflected, it is necessary to replace the chip.
本発明は上記事情に鑑み、１つのチップでプラズモン共鳴波長を変更できるプラズモンチップを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a plasmon chip that can change the plasmon resonance wavelength with a single chip.
第１発明のプラズモンチップは、所定間隔を開けて平行に配列された複数本の金属梁からなるグレーチング部と、前記金属梁同士を接近および／または離間させるアクチュエータと、を備え、前記アクチュエータは、隣り合う前記金属梁にそれぞれ逆符号および／または同符号の電荷を帯電させ、該金属梁の間に働く静電引力および／または静電斥力により、該金属梁同士を接近および／または離間させるものであることを特徴とする。
第２発明のプラズモンチップは、第１発明において、前記アクチュエータは、一対の電極を備えており、前記グレーチング部は、一方の前記電極に接続された金属梁と、他方の前記電極に接続された金属梁とが、交互に所定間隔を開けて平行に配列されて構成されていることを特徴とする。
第３発明のプラズモンチップは、第２発明において、前記アクチュエータは、一端が前記金属梁の先端に接続されたサスペンション梁と、該サスペンション梁の他端を固定するアンカー部と、を備えていることを特徴とする。
第４発明のプラズモンチップは、第３発明において、前記サスペンション梁は、隣り合う組となる金属梁間のギャップ側に偏って該金属梁の先端に接続されていることを特徴とする。
A plasmon chip according to a first aspect of the present invention includes a grating portion composed of a plurality of metal beams arranged in parallel at a predetermined interval, and an actuator for approaching and / or separating the metal beams, and the actuator includes: Charges having opposite signs and / or the same sign are charged to adjacent metal beams, and the metal beams are brought close to each other and / or separated by electrostatic attraction and / or electrostatic repulsion acting between the metal beams. It is characterized by being.
The plasmon chip according to a second aspect of the present invention is the plasmon chip according to the first aspect , wherein the actuator includes a pair of electrodes, and the grating portion is connected to a metal beam connected to one of the electrodes and the other electrode. It is characterized in that the metal beams are alternately arranged in parallel at predetermined intervals.
The plasmon chip according to a third aspect of the present invention is the plasmon chip according to the second aspect , wherein the actuator includes a suspension beam having one end connected to the tip of the metal beam, and an anchor portion for fixing the other end of the suspension beam. It is characterized by.
The plasmon chip according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the third aspect , the suspension beam is connected to a tip end of the metal beam while being biased toward a gap between adjacent metal beams.
第１発明によれば、アクチュエータにより金属梁同士を接近および／または離間させるので、グレーチング部のギャップを変化させることができ、１つのチップでプラズモン共鳴波長を変更できる。また、隣り合う金属梁の間に働く静電引力および／または静電斥力により、金属梁同士を接近および／または離間させるので、アクチュエータを簡易な構造とすることができる。
第２発明によれば、一対の電極間に電圧を印加すれば、隣り合う金属梁にそれぞれ逆符号および／または同符号の電荷を帯電させることができるので、その金属梁の間に働く静電引力および／または静電斥力により、金属梁同士を接近させることができる。
第３発明によれば、金属梁は、その先端に接続されたサスペンション梁で固定されているので、サスペンション梁の弾性力により、隣り合う金属梁の間に働く静電引力の大きさを変化させることで金属梁間のギャップを調整できる。
第４発明によれば、サスペンション梁は、隣り合う組となる金属梁間のギャップ側に偏って金属梁の先端に接続されているので、組となる金属梁の間は、そのうちの一の金属梁と隣の組に属する一の金属梁との間に比べて、サスペンション梁の長さ寸法分だけ接近して対向する部分の長さが長くなる。そのため、組となる金属梁の間に働く静電引力は、そのうちの一の金属梁と隣の組に属する一の金属梁との間に働く静電引力に比べて大きくなり、組となる金属梁同士を接近させることができる。
According to the first invention, since the metal beams are brought close to and / or separated from each other by the actuator, the gap of the grating portion can be changed, and the plasmon resonance wavelength can be changed with one chip. Moreover, since the metal beams are brought closer to and / or separated from each other by electrostatic attraction and / or electrostatic repulsion acting between adjacent metal beams, the actuator can have a simple structure.
According to the second invention, if a voltage is applied between a pair of electrodes, charges of opposite signs and / or the same sign can be charged to adjacent metal beams, respectively. Metal beams can be brought close to each other by attraction and / or electrostatic repulsion.
According to the third invention, since the metal beam is fixed by the suspension beam connected to the tip of the metal beam, the magnitude of the electrostatic attractive force acting between the adjacent metal beams is changed by the elastic force of the suspension beam. Therefore, the gap between the metal beams can be adjusted.
According to the fourth invention, the suspension beam is biased toward the gap between adjacent metal beams and connected to the tip end of the metal beam. Compared with one metal beam belonging to the adjacent group, the length of the facing portion is increased by approaching the length of the suspension beam. Therefore, the electrostatic attractive force that acts between the metal beams that form a pair is larger than the electrostatic attractive force that acts between one metal beam and one metal beam that belongs to the next pair. Beams can be brought close to each other.
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の一実施形態に係るプラズモンチップ１は、基板Ｂ上に厚さ数十nm〜数百nmの金属薄膜Ｍを成膜したチップを、集束イオンビームなどにより図１および図２に示す構造に形成した、いわゆるNEMS（Nano Electro Mechanical System）である。ここで、金属薄膜Ｍとしては、金、銀、アルミニウム、白金、銅、ナトリウムなどが用いられる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
A plasmon chip 1 according to an embodiment of the present invention has a structure in which a metal thin film M having a thickness of several tens to several hundreds of nanometers is formed on a substrate B by a focused ion beam or the like as shown in FIGS. This is a so-called NEMS (Nano Electro Mechanical System). Here, as the metal thin film M, gold, silver, aluminum, platinum, copper, sodium, or the like is used.
図１に示すように、プラズモンチップ１は、所定間隔を開けて平行に配列された複数本の金属梁１１（１１ａ、１１ｂ）からなるグレーチング部１０と、一端が金属梁１１の先端に接続されたサスペンション梁２１と、サスペンション梁２１の他端を固定するアンカー部２２と、一対の電極２３、２４とから構成されている。なお、サスペンション梁２１、アンカー部２２、および電極２３、２４が、特許請求の範囲に記載のアクチュエータに相当する。 As shown in FIG. 1, the plasmon chip 1 has a grating portion 10 composed of a plurality of metal beams 11 (11 a, 11 b) arranged in parallel at predetermined intervals, and one end connected to the tip of the metal beam 11. The suspension beam 21, the anchor portion 22 that fixes the other end of the suspension beam 21, and a pair of electrodes 23 and 24 are included. The suspension beam 21, the anchor portion 22, and the electrodes 23 and 24 correspond to the actuator described in the claims.
金属梁１１は、金属薄膜Ｍで棒状に形成された微細金属梁である。その幅寸法は数百nmであり、光の波長程度またはそれ以下（以下、サブ波長という。）である。また、長さ寸法は数μm〜数十μmである。
この金属梁１１が数本〜数百本、所定間隔を開けて平行に配列されてグレーチング部１０が構成されている。ここで、隣り合う金属梁１１間のギャップは数百nmであり、サブ波長である。
The metal beam 11 is a fine metal beam formed of a metal thin film M in a bar shape. Its width dimension is several hundred nm, which is about the wavelength of light or less (hereinafter referred to as sub-wavelength). The length dimension is several μm to several tens of μm.
The grating section 10 is configured by arranging several to several hundreds of the metal beams 11 in parallel at predetermined intervals. Here, the gap between the adjacent metal beams 11 is several hundred nm, which is a sub-wavelength.
サスペンション梁２１は、金属薄膜Ｍで金属梁１１より幅狭の棒状に形成されている。また、サスペンション梁２１と金属梁１１とは、少なくとも金属薄膜Ｍが繋がっており、互いに電気的に接続されている。 The suspension beam 21 is formed of a metal thin film M in a bar shape narrower than the metal beam 11. The suspension beam 21 and the metal beam 11 are connected to at least the metal thin film M and are electrically connected to each other.
図２に示すように、基板Ｂは、金属梁１１およびサスペンション梁２１の部分が、他の部分例えば電極２３、２４の部分より薄く形成されている。基板Ｂは基層ｂ１および表層ｂ２からなる２層構造であり、金属梁１１およびサスペンション梁２１の部分の基層ｂ１をエッチングにより除去した後、表層ｂ２上に金属薄膜Ｍを成膜してパターニングすることで、このような形状に形成される。
ここで、基層ｂ１は厚さ100μm程度のシリコンウエハなどが用いられる。また、表層ｂ２は窒化珪素（Si3N4）、炭化珪素（SiC）、二酸化珪素（SiO2）、酸化アルミニウム（Al2O3）などの絶縁体により厚さ100nm程度に形成されている。
As shown in FIG. 2, in the substrate B, the metal beam 11 and the suspension beam 21 are formed thinner than other portions, for example, the electrodes 23 and 24. The substrate B has a two-layer structure composed of a base layer b1 and a surface layer b2, and after removing the base layer b1 of the metal beam 11 and the suspension beam 21 by etching, a metal thin film M is formed on the surface layer b2 and patterned. Thus, it is formed in such a shape.
Here, a silicon wafer having a thickness of about 100 μm is used as the base layer b1. The surface layer b2 is formed to a thickness of about 100 nm by an insulator such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
アンカー部２２は、基板Ｂによりサスペンション梁２１の先端を固定し、かつ隣り合うサスペンション梁２１、２１同士を絶縁している。また、一本の金属梁１１につき、その両端に一対のサスペンション梁２１、２１が接続されており、そのうちの一方のサスペンション梁２１は電極２３または電極２４に接続され、他方のサスペンション梁２１は電極２３、２４と絶縁されている。すなわち、金属梁１１は、サスペンション梁２１を介して電極２３または電極２４の一方に電気的に接続されている。また、一方の電極２３に接続された金属梁１１ａと、他方の電極２４に接続された金属梁１１ｂとが、一本ずつ交互に所定間隔を開けて平行に配列されている。そして、隣り合う金属梁１１および隣り合うサスペンション梁２１は互いに離間しており、それぞれ電極２３、２４間に掛け渡されている。 The anchor portion 22 fixes the tip end of the suspension beam 21 with the substrate B and insulates the adjacent suspension beams 21 and 21 from each other. In addition, a pair of suspension beams 21 and 21 are connected to both ends of one metal beam 11, one of the suspension beams 21 is connected to the electrode 23 or 24, and the other suspension beam 21 is connected to the electrode. 23 and 24 are insulated. That is, the metal beam 11 is electrically connected to one of the electrode 23 and the electrode 24 via the suspension beam 21. Further, the metal beams 11a connected to one electrode 23 and the metal beams 11b connected to the other electrode 24 are arranged in parallel alternately at predetermined intervals. The adjacent metal beam 11 and the adjacent suspension beam 21 are separated from each other and are spanned between the electrodes 23 and 24, respectively.
電極２３、２４は、グレーチング部１０を挟んで対向した位置に配置されており、それぞれ数十μm〜数百μm四方の矩形である。もちろん、電極２３と電極２４の間は金属薄膜Ｍが削られており絶縁されている。この電極２３、２４には、図示しない電源が接続され、電極２３、２４間に電圧を印加できるようになっている。 The electrodes 23 and 24 are disposed at positions facing each other with the grating portion 10 interposed therebetween, and each has a rectangular shape of several tens μm to several hundreds μm square. Of course, the metal thin film M is cut and insulated between the electrode 23 and the electrode 24. A power source (not shown) is connected to the electrodes 23 and 24 so that a voltage can be applied between the electrodes 23 and 24.
図３（ａ）に示すように、サスペンション梁２１は、その中心軸が金属梁１１（１１ａ、１１ａ'、１１ａ''、１１ｂ、１１ｂ'、１１ｂ''）の中心軸とは一致しておらず、幅方向のどちらか一方に偏って金属梁１１に接続されている。
より詳細には、電極２３に接続された金属梁１１ａ、１１ａ'、１１ａ''と、電極２４に接続された金属梁１１ｂ、１１ｂ'、１１ｂ''のうち、隣り合う金属梁１１ａ、１１ｂ（１１ａ'、１１ｂ'）（１１ａ''、１１ｂ''）を組とすると、サスペンション梁２１はその組となる金属梁１１ａ、１１ｂ（１１ａ'、１１ｂ'）（１１ａ''、１１ｂ''）の間のギャップ側に偏って金属梁１１の先端に接続されている。図３（ａ）においては、金属梁１１ａ、１１ａ'、１１ａ''に接続されたサスペンション梁２１は右側に偏っており、金属梁１１ｂ、１１ｂ'、１１ｂ''に接続されたサスペンション梁２１は左側に偏っている。
そのため、組となる金属梁１１ａ、１１ｂの間は、そのうちの一の金属梁１１ａ（１１ｂ）と隣の組に属する一の金属梁１１ｂ'（１１ａ''）との間に比べて、サスペンション梁２１の長さ寸法分だけ接近して対向する部分の長さが長くなっている。
As shown in FIG. 3A, the central axis of the suspension beam 21 does not coincide with the central axis of the metal beam 11 (11a, 11a ′, 11a ″, 11b, 11b ′, 11b ″). Instead, it is connected to the metal beam 11 in a biased direction in the width direction.
More specifically, among the metal beams 11a, 11a ′, 11a ″ connected to the electrode 23 and the metal beams 11b, 11b ′, 11b ″ connected to the electrode 24, the adjacent metal beams 11a, 11b ( 11a ′, 11b ′) (11a ″, 11b ″), the suspension beam 21 is a pair of metal beams 11a, 11b (11a ′, 11b ′) (11a ″, 11b ″). The metal beam 11 is connected to the tip of the metal beam 11 with a bias toward the gap. In FIG. 3A, the suspension beam 21 connected to the metal beams 11a, 11a ′, 11a ″ is biased to the right side, and the suspension beam 21 connected to the metal beams 11b, 11b ′, 11b ″ is It is biased to the left.
Therefore, the space between the pair of metal beams 11a and 11b is smaller than that between one metal beam 11a (11b) and one metal beam 11b ′ (11a ″) belonging to the adjacent group. The length of the part which approaches 21 length dimension and opposes is long.
そこで、例えば図３（ｂ）に示すように、電極２３を正極とし、電極２４を負極として、電極２３、２４間に電圧を印加すると、正極２３に接続された金属梁１１ａおよびサスペンション梁２１には正電荷が帯電し、負極２４に接続された金属梁１１ｂおよびサスペンション梁２１には負電荷が帯電する。そうすると、隣り合う金属梁１１ａ、１１ｂにそれぞれ逆符号の電荷を帯電させることができ、その金属梁１１ａ、１１ｂの間に働く静電引力により、金属梁１１ａ、１１ｂ同士を接近させることができる。 Therefore, for example, as shown in FIG. 3B, when a voltage is applied between the electrodes 23, 24 with the electrode 23 as the positive electrode and the electrode 24 as the negative electrode, the metal beam 11 a and the suspension beam 21 connected to the positive electrode 23 are applied. Is charged with a positive charge, and the metal beam 11b and the suspension beam 21 connected to the negative electrode 24 are charged with a negative charge. As a result, the adjacent metal beams 11a and 11b can be charged with charges of opposite signs, and the metal beams 11a and 11b can be brought close to each other by electrostatic attraction acting between the metal beams 11a and 11b.
ここで、属する組が異なる金属梁１１ａ、１１ｂ'（１１ｂ、１１ａ''）の間にも静電引力が働く。しかし、組となる金属梁１１ａ、１１ｂの間の方が接近して対向する部分の長さが長くなっているため、組となる金属梁１１ａ、１１ｂの間に働く静電引力の方が大きくなる。そのため、組となる金属梁１１ａ、１１ｂ同士を接近させることができる。 Here, electrostatic attraction also acts between the metal beams 11a and 11b ′ (11b and 11a ″) belonging to different groups. However, the portion between the metal beams 11a and 11b forming the pair is closer and the length of the facing portion is longer, so that the electrostatic attractive force acting between the metal beams 11a and 11b forming the pair is larger. Become. Therefore, the metal beams 11a and 11b forming a pair can be brought close to each other.
また、金属梁１１は、その先端に接続されたサスペンション梁２１で固定されているので、サスペンション梁２１の弾性力により、隣り合う金属梁１１ａ、１１ｂの間に働く静電引力の大きさを変化させることで金属梁１１ａ、１１ｂ間のギャップを調整できる。すなわち、印加する電圧を調整することにより、金属梁１１ａ、１１ｂ間のギャップを調整できる。そして、印加電圧を０にすれば、金属梁１１ａ、１１ｂ間のギャップを元に戻すことができる。 Further, since the metal beam 11 is fixed by the suspension beam 21 connected to the tip of the metal beam 11, the magnitude of the electrostatic attractive force acting between the adjacent metal beams 11a and 11b is changed by the elastic force of the suspension beam 21. By doing so, the gap between the metal beams 11a and 11b can be adjusted. That is, the gap between the metal beams 11a and 11b can be adjusted by adjusting the applied voltage. If the applied voltage is set to 0, the gap between the metal beams 11a and 11b can be restored.
前述のごとく、金属梁１１の幅寸法はサブ波長であり、隣り合う金属梁１１間のギャップもサブ波長である。このように、グレーチング部１０は微細な周期構造を有するので、光を照射すると局在プラズモン共鳴が生じ、図４に示すように特定の波長の光Ｌが透過または反射される。 As described above, the width dimension of the metal beam 11 is a sub-wavelength, and the gap between the adjacent metal beams 11 is also a sub-wavelength. Thus, since the grating part 10 has a fine periodic structure, localized plasmon resonance occurs when light is irradiated, and light L having a specific wavelength is transmitted or reflected as shown in FIG.
また、プラズモンチップ１は、隣り合う金属梁１１間のギャップを自在に変化させることができるので、グレーチング部１０の周期構造を変化させることができ、１つのチップでプラズモン共鳴波長を自在に変更できる。 Further, since the plasmon chip 1 can freely change the gap between the adjacent metal beams 11, the periodic structure of the grating 10 can be changed, and the plasmon resonance wavelength can be freely changed with one chip. .
また、プラズモンチップ１は、隣り合う金属梁１１の間に働く静電引力により、金属梁１１間のギャップを変化させるので、アクチュエータを簡易な構造とすることができる。
しかも、アクチュエータを含めたチップ全体をNEMSとして形成しているので、スケーリングメリットを活かした低電圧駆動や高速応答、高いフィルファクタが実現可能である。
Further, since the plasmon chip 1 changes the gap between the metal beams 11 by the electrostatic attractive force acting between the adjacent metal beams 11, the actuator can have a simple structure.
Moreover, since the entire chip including the actuator is formed as a NEMS, low voltage driving, high-speed response and high fill factor can be realized by taking advantage of scaling.
（その他の実施形態）
上記実施形態では、サスペンション梁２１が幅方向のどちらか一方に偏って金属梁１１の先端に接続しているが、図５に示すように、サスペンション梁２１の中心軸を金属梁１１の中心軸と一致させて金属梁１１の先端に接続してもよい。このような構造でも、組となる金属梁１１ａ、１１ｂ間のギャップを、そのうちの一の金属梁１１ａ（１１ｂ）と隣の組に属する一の金属梁１１ｂ'（１１ａ''）との間のギャップに比べて狭く形成すれば、組となる金属梁１１ａ、１１ｂの間に働く静電引力が大きくなるので、組となる金属梁１１ａ、１１ｂ同士を接近させることができる。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the suspension beam 21 is connected to the tip of the metal beam 11 while being biased to one of the width directions. However, as shown in FIG. 5, the central axis of the suspension beam 21 is the central axis of the metal beam 11. May be connected to the tip of the metal beam 11 so as to match. Even in such a structure, a gap between the pair of metal beams 11a and 11b is formed between one metal beam 11a (11b) and one metal beam 11b ′ (11a ″) belonging to the adjacent group. If the gap is formed narrower than the gap, the electrostatic attractive force acting between the pair of metal beams 11a and 11b increases, so that the pair of metal beams 11a and 11b can be brought close to each other.
また、図６に示すように、一方の電極２３に接続された金属梁１１ａ（１１ｂ’、１１ｂ''）と、他方の電極２４に接続された金属梁１１ｂ（１１ａ’、１１ａ''）とが、２本ずつ交互に配列された構造としてもよい。このような構造にすれば、組となる金属梁１１ａ、１１ｂには、それぞれ逆符号の電荷が帯電し静電引力が働く。一方、一の金属梁１１ａ（１１ｂ）と隣の組に属する一の金属梁１１ｂ'（１１ａ''）には、それぞれ同符号の電荷が帯電し静電斥力が働く。そのため、金属梁１１を等間隔に配列したとしても、一の金属梁１１ａ（１１ｂ）と隣の組に属する一の金属梁１１ｂ'（１１ａ''）とを離間させるとともに、組となる金属梁１１ａ、１１ｂを接近させることができる。 As shown in FIG. 6, the metal beam 11a (11b ′, 11b ″) connected to one electrode 23 and the metal beam 11b (11a ′, 11a ″) connected to the other electrode 24 However, a structure in which two are alternately arranged may be used. With such a structure, the pair of metal beams 11a and 11b are charged with charges of opposite signs, and electrostatic attraction works. On the other hand, one metal beam 11a (11b) and one metal beam 11b ′ (11a ″) belonging to an adjacent set are charged with the same sign, and electrostatic repulsion acts. Therefore, even if the metal beams 11 are arranged at equal intervals, the one metal beam 11a (11b) and the one metal beam 11b ′ (11a ″) belonging to the adjacent set are separated from each other, and the metal beam forming the set 11a and 11b can be made to approach.
また、金属梁１１ａ、１１ｂ同士を接近離間させるアクチュエータとしては、隣り合う金属梁１１間に働く静電引力や静電斥力を利用したもの以外にも、グレーチング部１０を圧縮および／または伸長させる外力を働かせ、金属梁１１ａ、１１ｂ同士を接近および／または離間させるアクチュエータを採用してもよい。 Further, as an actuator for moving the metal beams 11a and 11b closer to and away from each other, an external force that compresses and / or expands the grating portion 10 other than an electrostatic attraction force or an electrostatic repulsive force acting between adjacent metal beams 11 is used. An actuator that moves the metal beams 11a and 11b toward and / or away from each other may be employed.
また、上記実施形態では、金属梁１１の両端にサスペンション梁２１が接続されているが、サスペンション梁２１を設けず、金属梁１１の両端を直接アンカー部２２に固定してもよい。このような構成でも金属梁１１の弾性力により、金属梁１１ａ、１１ｂ間のギャップを調整できる。ただし、サスペンション梁２１を設けたほうが、より金属梁１１ａ、１１ｂの間隔が変化しやすく、可変領域も広くなるので好ましい。 In the above embodiment, the suspension beam 21 is connected to both ends of the metal beam 11. However, the suspension beam 21 may not be provided, and both ends of the metal beam 11 may be directly fixed to the anchor portion 22. Even in such a configuration, the gap between the metal beams 11 a and 11 b can be adjusted by the elastic force of the metal beam 11. However, it is preferable to provide the suspension beam 21 because the distance between the metal beams 11a and 11b can be changed more easily and the variable region becomes wider.
つぎに、実施例について説明する。
（試料試験）
まず、図１に示すプラズモンチップ１に相当する試料を作成した。
始めに、イオンビームスパッタを用いて、10-5Paの真空条件下で、基層として厚さ100μmのシリコンウエハおよび表層として厚さ100nmの窒化珪素（Si3N4）からなる基板上に厚さ300nmの金薄膜を成膜した。つぎに、集束イオンビームを用いて、図１に示すプラズモンチップ１の構造を作製した。ここで、金属梁１１の幅寸法、および隣り合う金属梁１１間のギャップを、それぞれ400nmとした。また組となる金属梁１１ａ、１１ｂを２２組形成した。また、電極２３、２４を100μm四方の矩形に形成した。
Next, examples will be described.
(Sample test)
First, a sample corresponding to the plasmon chip 1 shown in FIG. 1 was prepared.
First, using ion beam sputtering, under a vacuum condition of 10 -5 Pa, a thickness of a silicon wafer with a thickness of 100 μm as a base layer and a substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) with a thickness of 100 nm as a surface layer A 300 nm gold thin film was formed. Next, the structure of the plasmon chip 1 shown in FIG. 1 was produced using a focused ion beam. Here, the width dimension of the metal beam 11 and the gap between the adjacent metal beams 11 were each 400 nm. In addition, 22 sets of metal beams 11a and 11b forming a set were formed. The electrodes 23 and 24 were formed in a 100 μm square.
図７に、作成した試料を走査型電子顕微鏡で確認した結果を示す。
図７に示すように、所望の構造、寸法を有するプラズモンチップを得ることができた。
FIG. 7 shows the result of confirming the prepared sample with a scanning electron microscope.
As shown in FIG. 7, a plasmon chip having a desired structure and dimensions could be obtained.
つぎに、図８に示す透過型顕微分光光学系を用いて、作成した試料に光を照射し、その透過光を観側した。
より詳細には、顕微鏡下に試料を配置し、TM偏光保持したハロゲン光を明視野系において照射した。そして、試料の透過光を紫外可視マルチチャンネル分光器により観測した。ここで、試料の電極２３、２４間には、ファンクションジェネレータを用いて1V刻みで1V〜10Vの電圧を印加した。
Next, using the transmission microspectroscopic optical system shown in FIG. 8, the prepared sample was irradiated with light, and the transmitted light was viewed.
More specifically, a sample was placed under a microscope, and a TM-polarized halogen light was irradiated in a bright field system. The transmitted light of the sample was observed with an ultraviolet-visible multichannel spectrometer. Here, a voltage of 1V to 10V was applied between the sample electrodes 23 and 24 in 1V increments using a function generator.
図９に、上記透過型顕微分光光学系を用いて観測した試料の透過光のスペクトルを示す。
図９に示すように、波長420nmから510nmの領域において共鳴ピークが得られることが分かった。この共鳴ピークは、印加電圧が大きくなる（金属梁間のギャップが小さくなる）に従い長波長側へ最大100nm程度シフトすることが分かった。
FIG. 9 shows the spectrum of the transmitted light of the sample observed using the transmission microspectroscopic optical system.
As shown in FIG. 9, it was found that a resonance peak was obtained in the wavelength region from 420 nm to 510 nm. This resonance peak was found to shift up to about 100 nm toward the longer wavelength side as the applied voltage increased (the gap between the metal beams decreased).
（数値計算１）
つぎに、２次元有限差分時間領域法を用いた数値計算によりプラズモンチップの光学特性を評価した。
図１０に示すように、数値計算におけるプラズモンチップの構造を、厚さ100nmの窒化珪素（Si3N4）の基板上に厚さ300nmの金薄膜が形成された構造とした。ここで、金の誘電率として、A.D.Rakicらの実験データ（Rakic, A. D., Djurisic, A.
B., Elazar, J. M. & Majewski, M. L. Optical Properties of Metallic Films
for Vertical-Cavity Optoelectronic Devices. Appl. Opt. 37, 5271-5283 (1998)）をドルーデ・ローレンツモデルで表現したものを用いた。また、波長619.9nmのときの窒化珪素（Si3N4）の誘電率を、実部4.08、虚部0.00とした。また、金属梁の幅寸法Mwを400nmとし、組となる金属梁を２２組とした。また、金属梁間のギャップ幅として、組となる金属梁間のギャップ幅を可変ギャップGvとし、組と組の間のギャップ幅を固定ギャップGfとした。
(Numerical calculation 1)
Next, the optical characteristics of the plasmon chip were evaluated by numerical calculation using a two-dimensional finite difference time domain method.
As shown in FIG. 10, the structure of the plasmon chip in the numerical calculation was a structure in which a gold thin film having a thickness of 300 nm was formed on a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having a thickness of 100 nm. Here, as a dielectric constant of gold, experimental data of ADRakic et al. (Rakic, AD, Djurisic, A.
B., Elazar, JM & Majewski, ML Optical Properties of Metallic Films
for Vertical-Cavity Optoelectronic Devices. Appl. Opt. 37, 5271-5283 (1998)) was used in the Drude-Lorentz model. Further, the dielectric constant of silicon nitride (Si 3 N 4 ) at a wavelength of 619.9 nm was set to a real part 4.08 and an imaginary part 0.00. Moreover, the width dimension Mw of the metal beam was set to 400 nm, and the number of metal beams to be set was set to 22. In addition, as the gap width between the metal beams, the gap width between the metal beams forming a set was set as a variable gap Gv, and the gap width between the sets was set as a fixed gap Gf.
プラズモンチップの金薄膜側からTM偏光させた光を入射させた。入射光の偏光方向は金属梁の幅方向（x方向）とした。この入射光のスポット径（半値幅）は、金属梁の幅方向（x方向）に11.6μm、金属梁の長手方向（y方向）に無限とした。
そして、可変ギャップGvを400nm〜0nmの間で40nm間隔で変化させるとともに、固定ギャップGfを800nm-Gvとして、それぞれの条件におけるプラズモンチップの透過光および反射光のスペクトルを遠方解により算出した。
なお、２次元有限差分時間領域法におけるメッシュ間隔は、金属梁の幅方向（x方向）および金属梁の厚み方向（z方向）にそれぞれ10nmとした。
TM polarized light was incident from the gold thin film side of the plasmon chip. The polarization direction of incident light was the width direction (x direction) of the metal beam. The spot diameter (half-value width) of this incident light was 11.6 μm in the width direction (x direction) of the metal beam and infinite in the longitudinal direction (y direction) of the metal beam.
Then, the variable gap Gv was varied between 400 nm and 0 nm at 40 nm intervals, and the fixed gap Gf was set to 800 nm-Gv, and the spectrum of transmitted light and reflected light of the plasmon chip under each condition was calculated by a far solution.
The mesh interval in the two-dimensional finite difference time domain method was 10 nm in each of the metal beam width direction (x direction) and the metal beam thickness direction (z direction).
図１１に、数値計算により算出したプラズモンチップの透過光および反射光のスペクトルを示す。
図１１（ａ）に示すように、波長500nmから650nmの領域の透過光スペクトルにおいて共鳴ピークが得られた。この共鳴ピークは、可変ギャップGvが小さくなる（印加電圧が大きくなることに相当する）に従い長波長側へシフトすることが分かった（図１１（ｂ）参照）。
以上のように、試料試験と数値計算の双方において、共鳴ピークのレッドシフトが確認された。
FIG. 11 shows the spectrum of transmitted light and reflected light of the plasmon chip calculated by numerical calculation.
As shown in FIG. 11A, a resonance peak was obtained in the transmitted light spectrum in the wavelength region of 500 nm to 650 nm. It was found that this resonance peak shifts to the longer wavelength side as the variable gap Gv becomes smaller (corresponding to the applied voltage becoming larger) (see FIG. 11B).
As described above, the red shift of the resonance peak was confirmed in both the sample test and the numerical calculation.
つぎに、可変ギャップGvが200nm、固定ギャップGfが600nmの場合において、共鳴波長583.10nmの光（図１１（ｂ）におけるα）を入射した場合、および非共鳴波長482.56nmの光（図１１（ｂ）におけるβ）を入射した場合における電界強度分布を数値計算により求めた。
図１２（ａ）に共鳴波長の光を入射した場合の電界強度分布、図１２（ｂ）に非共鳴波長の光を入射した場合の電界強度分布を示す。なお、スケールバーは電界強度を示し、黒色はその最小値を、白色はその最大値を表す。また、電界強度分布内で示す白矢印は、ある瞬間における電気力線の方向を示す。
Next, when the variable gap Gv is 200 nm and the fixed gap Gf is 600 nm, light having a resonance wavelength of 583.10 nm (α in FIG. 11B) is incident, and light having a non-resonance wavelength of 482.56 nm (FIG. 11 ( The electric field strength distribution when β) in b) was incident was obtained by numerical calculation.
FIG. 12A shows the electric field intensity distribution when light having a resonant wavelength is incident, and FIG. 12B shows the electric field intensity distribution when light having a non-resonant wavelength is incident. The scale bar indicates the electric field intensity, black indicates the minimum value, and white indicates the maximum value. Moreover, the white arrow shown in the electric field strength distribution indicates the direction of the electric lines of force at a certain moment.
図１２（ａ）に示すように、共鳴波長の光を入射した場合には、金属端、固定ギャップGf側の側面、および金属-基板界面に大きな電界増強が見られた。また、電気力線が金属表面へ垂直に生じていることから、金属表面において電荷の粗密波が形成され、表面プラズモンが励起されていることが分かる。また、金属界面にて、電気力線が密になることから、金属端において強い電場増強を形成したことが裏付けられる。 As shown in FIG. 12A, when light having a resonance wavelength is incident, a large electric field enhancement is observed at the metal end, the side surface on the fixed gap Gf side, and the metal-substrate interface. In addition, since the lines of electric force are generated perpendicularly to the metal surface, it can be seen that a dense wave of electric charges is formed on the metal surface and surface plasmons are excited. In addition, since the lines of electric force become dense at the metal interface, it is supported that a strong electric field enhancement is formed at the metal edge.
一方、図１２（ｂ）に示すように、非共鳴波長の光を入射した場合には、金属界面に大きな電界増強は見られなかった。しかし、電気力線が金属表面へ垂直に生じており、共鳴波長から外れても弱い光共鳴を持ったと考えられる。ただし、金属内への光吸収が少しでもあれば、非共鳴波長でも光共鳴を有することは想像される。 On the other hand, as shown in FIG. 12B, when light with a non-resonant wavelength was incident, no significant electric field enhancement was observed at the metal interface. However, the lines of electric force are generated perpendicular to the metal surface, and it is considered that they have weak optical resonance even when they deviate from the resonance wavelength. However, if there is even a small amount of light absorption into the metal, it is imagined that there is optical resonance even at a non-resonant wavelength.
以上より、試料試験および数値計算において確認された共鳴ピークはプラズモン共鳴ピークであることが確認された。これにより、プラズモン共鳴ピークのレッドシフトが確認された。そして、本発明に係るプラズモンチップが１つのチップでプラズモン共鳴波長を変更できることが明らかとなった。
なお、試料試験と数値計算において、透過光スペクトルに若干の違いが見られるが、これは、試料における金属梁の角の削れや、金属梁やギャップの若干のばらつきに起因すると考えられる。
From the above, it was confirmed that the resonance peak confirmed in the sample test and the numerical calculation was a plasmon resonance peak. Thereby, the red shift of the plasmon resonance peak was confirmed. And it became clear that the plasmon chip according to the present invention can change the plasmon resonance wavelength with one chip.
In the sample test and the numerical calculation, a slight difference is observed in the transmitted light spectrum, which is considered to be caused by the shaving of the corner of the metal beam in the sample and the slight variation of the metal beam and the gap.
（数値計算２）
上記２次元有限差分時間領域法を用いた数値計算１において、可変ギャップGvを400nm〜0nmの間で40nm間隔で変化させるとともに、固定ギャップGfを800nm-Gvとして、それぞれの条件におけるプラズモンチップの透過光スペクトルおよび反射光スペクトルの赤外領域（波長1,100nm〜2,000nm）を算出した。その余の条件は、数値計算１と同様である。
(Numerical calculation 2)
In numerical calculation 1 using the two-dimensional finite-difference time-domain method, the variable gap Gv is changed between 400 nm and 0 nm at 40 nm intervals, and the fixed gap Gf is 800 nm-Gv. The infrared region (wavelength 1,100 nm to 2,000 nm) of the light spectrum and reflected light spectrum was calculated. The other conditions are the same as those in the numerical calculation 1.
その結果、図１３に示すように、透過光スペクトルおよび反射光スペクトル共に、波長1,700nm〜1,900nmの領域において、Ｑ値の高い共鳴ピークが現れることが分かった。しかも、この共鳴ピークは可変ギャップGvが小さくなるに従い短波長側へシフトすることが分かった。なお、この共鳴ピークはWood’s anomalyという異常回折であることが考えられる。
以上より、本発明に係るプラズモンチップは、異常回折による共鳴ピークも変更できることが明らかとなった。
As a result, as shown in FIG. 13, it was found that a resonance peak having a high Q value appears in the wavelength range of 1,700 nm to 1,900 nm in both the transmitted light spectrum and the reflected light spectrum. Moreover, it was found that this resonance peak shifts to the short wavelength side as the variable gap Gv becomes smaller. In addition, it is thought that this resonance peak is anomalous diffraction called Wood's anomaly.
From the above, it became clear that the plasmon chip according to the present invention can also change the resonance peak due to abnormal diffraction.
（数値計算３）
図１４に示すように、上記２次元有限差分時間領域法を用いた数値計算１において、入射光の偏光方向を金属梁の長手方向（y方向）とし、可変ギャップGvを400nm〜0nmの間で40nm間隔で変化させるとともに、固定ギャップGfを800nm-Gvとして、それぞれの条件におけるプラズモンチップの透過光スペクトルおよび反射光スペクトルを算出した。その余の条件は、数値計算１と同様である。
(Numerical calculation 3)
As shown in FIG. 14, in the numerical calculation 1 using the two-dimensional finite difference time domain method, the polarization direction of the incident light is the longitudinal direction (y direction) of the metal beam, and the variable gap Gv is between 400 nm and 0 nm. While changing at intervals of 40 nm, the transmission gap spectrum and reflection spectrum of the plasmon chip under each condition were calculated with a fixed gap Gf of 800 nm-Gv. The other conditions are the same as those in the numerical calculation 1.
その結果、図１５（ａ）に示すように、透過光スペクトルにおいては、可変ギャップGvが小さくなるに従い波長1,600nm付近の領域にピークが表れ、透過率が約0%から約65%まで上昇することが確認された。また、図１５（ｂ）に示すように、反射光スペクトルにおいては、可変ギャップGvが大きくなるに従い波長1,000nm〜1,600nmの領域の反射率が約10%から約90%まで上昇することが確認された。 As a result, as shown in FIG. 15A, in the transmitted light spectrum, as the variable gap Gv decreases, a peak appears in the region near the wavelength of 1,600 nm, and the transmittance increases from about 0% to about 65%. It was confirmed. In addition, as shown in FIG. 15B, in the reflected light spectrum, it is confirmed that the reflectance in the wavelength region of 1,000 nm to 1,600 nm increases from about 10% to about 90% as the variable gap Gv increases. It was done.
以上より、本発明に係るプラズモンチップは、特定波長の光の透過および反射のオン・オフを制御可能であり、光シャッタとして利用できることが確認された。なお、数値計算３における構造のプラズモンチップ（図１４参照）では、光ファイバーなどで用いられる光通信波長帯である1,260〜1,625nmの領域の光の制御が可能である。構造条件や金属の種類を選択することで、その他の波長領域の光を制御可能にすることもできる。 From the above, it has been confirmed that the plasmon chip according to the present invention can control the transmission and reflection of light of a specific wavelength and can be used as an optical shutter. Note that the plasmon chip (see FIG. 14) having the structure in the numerical calculation 3 can control light in the region of 1,260 to 1,625 nm, which is an optical communication wavelength band used for optical fibers and the like. By selecting the structural conditions and the type of metal, it is possible to control light in other wavelength regions.
本発明に係るプラズモンチップは、光学フィルタ、光波数変調器、レーザー、センサ、光シャッタ、ナノ光集積回路中のフィルタや、導波路、スイッチなどに利用される。
本プラズモンチップは、光学フィルタとして利用した場合、１つのチップで透過光または反射光の色を変更できる。また、構造条件と金属の種類を適切に選択することで、紫外可視光領域から赤外光領域まで幅広い波長帯域においてフィルタが可能となる。
また、光波数変調器として利用した場合、１つのチップで任意の変調を行うことができる。
また、センサとして利用した場合、金属梁のギャップ間隔に依存する電場増強効果を利用することができる。
また、光シャッタとして利用した場合、特定波長の光の透過および反射のオン・オフを制御可能である。
また、ナノ光集積回路に用いた場合、エレクトロニクスと同等またはそれ以上の高速周波数応答が予想される。特に、赤外領域のＱ値の高い共鳴ピークはスイッチに利用することができる。なお、表面プラズモンは、光の回折限界以下の領域に光エネルギーを閉じ込めることから、光デバイスをCMOS回路と同サイズに小型化する要素技術として利用でき、また単一試料での共鳴ピーク波長の可変が可能であることから更なる高集積・高性能化が可能となる。
The plasmon chip according to the present invention is used for an optical filter, a light wave number modulator, a laser, a sensor, an optical shutter, a filter in a nano-optical integrated circuit, a waveguide, a switch, and the like.
When this plasmon chip is used as an optical filter, the color of transmitted light or reflected light can be changed with one chip. In addition, by appropriately selecting the structural conditions and the type of metal, it is possible to filter in a wide wavelength band from the ultraviolet visible light region to the infrared light region.
Further, when used as an optical wave number modulator, arbitrary modulation can be performed with one chip.
Moreover, when it uses as a sensor, the electric field enhancement effect depending on the gap space | interval of a metal beam can be utilized.
Further, when used as an optical shutter, it is possible to control on / off of transmission and reflection of light of a specific wavelength.
Further, when used in a nano-optical integrated circuit, a high-speed frequency response equivalent to or higher than that of electronics is expected. In particular, a resonance peak having a high Q value in the infrared region can be used for a switch. Since surface plasmons confine optical energy in a region below the diffraction limit of light, it can be used as an elemental technology for downsizing optical devices to the same size as CMOS circuits, and the resonance peak wavelength of a single sample can be varied. Therefore, higher integration and higher performance are possible.
１ プラズモンチップ
１０ グレーチング部
１１（１１ａ、１１ｂ） 金属梁
２１ サスペンション梁
２２ アンカー部
２３、２４ 電極
1 Plasmon chip 10 Grating part 11 (11a, 11b) Metal beam 21 Suspension beam 22 Anchor part 23, 24 Electrode
Claims (4)
前記金属梁同士を接近および／または離間させるアクチュエータと、を備え、
前記アクチュエータは、隣り合う前記金属梁にそれぞれ逆符号および／または同符号の電荷を帯電させ、該金属梁の間に働く静電引力および／または静電斥力により、該金属梁同士を接近および／または離間させるものである
ことを特徴とするプラズモンチップ。 A grating part composed of a plurality of metal beams arranged in parallel at a predetermined interval;
An actuator for approaching and / or separating the metal beams ,
The actuator charges the adjacent metal beams with opposite signs and / or charges of the same sign, and makes the metal beams approach and / or close by electrostatic attraction and / or electrostatic repulsion acting between the metal beams. Or a plasmon chip characterized by being separated .
前記グレーチング部は、一方の前記電極に接続された金属梁と、他方の前記電極に接続された金属梁とが、交互に所定間隔を開けて平行に配列されて構成されている
ことを特徴とする請求項１記載のプラズモンチップ。 The actuator includes a pair of electrodes,
The grating portion is configured such that metal beams connected to one of the electrodes and metal beams connected to the other electrode are alternately arranged in parallel at predetermined intervals. The plasmon chip according to claim 1 .
一端が前記金属梁の先端に接続されたサスペンション梁と、
該サスペンション梁の他端を固定するアンカー部と、を備えている
ことを特徴とする請求項２記載のプラズモンチップ。 The actuator is
A suspension beam having one end connected to the tip of the metal beam;
The plasmon chip according to claim 2 , further comprising an anchor portion that fixes the other end of the suspension beam.
ことを特徴とする請求項３記載のプラズモンチップ。 The plasmon chip according to claim 3 , wherein the suspension beam is connected to a tip end of the metal beam so as to be biased toward a gap between adjacent metal beams.
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