JP6834110B2 - 電磁波吸収及び輻射材料及びその製造方法並びに赤外線源 - Google Patents
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Description
本発明は、単純な構造で、紫外から遠赤外帯域の所望の波長の電磁波（以下、本願では単に電磁波と称する）を選択的かつ高効率で吸収または輻射することができる電磁波吸収及び輻射材料（光収集または輻射材料）に関する。本発明はまた、当該材料を使用した赤外線源に関する。なお、本願では「電磁波吸収及び輻射」とは本質的に吸収と輻射の両方が可能であるという意味で使用し、どちらか一方に特に好適である材料や、あるいは実際にはどちらか一方の特定の用途だけに使用する／使用することを意図している材料を排除するものではない。
広帯域の赤外線や可視光を高効率に吸収する材料として、従来から、金属ナノ粒子やカーボン系材料を用いた黒化膜や針状シリコンのアレイを利用したブラックシリコン（特許文献１）が知られている。これらを使用することで可視赤外域にわたる広帯域な光吸収が可能である。一方で、金、タングステン、ニッケル等の貴金属や高融点金属の表面に加工を施し、表面垂直方向への表面プラズモンの閉じ込めをベースとした、３次元縦型マイクロキャビティ構造やラインアンドスペース型の共振器構造が、狭帯域の電磁波吸収を示す材料として研究され、狭帯域の吸収特性をもつ可視‐赤外光の吸収材料が開発されている（非特許文献１）。これらの材料は、加熱することで狭帯域の可視光や赤外光の光源としても使用が可能であり、キャビティ構造の寸法を選ぶことで輻射波長を調整可能な可視光源や赤外光源として、動作することが確認されている。
しかしながら、これらのキャビティ構造は３次元構造であるため、これらの製造には、集束イオンビーム加工、電子線リソグラフィー、及びナノインプリント法などの高価なトップダウン加工法が必要である。さらに、スパッタ蒸着、真空蒸着などで金属を蒸着する工程を用いると、キャビティ構造の深さ方向・横方向や表面形状の製作精度が出なくなるなどの制約があった。これに加えて、穴や溝を形成する際、表面に垂直な壁面を形成しようとしても、意図しないテーパ状の傾斜がつく場合が多い。このような問題は、設計通りの吸収・輻射効率といった性能が出ない等の問題をもたらす。また、上述した加工方法は大面積の加工には不適切な場合が多いため、従来技術により作製されたこの種の材料の適用可能分野にも制約があった。この様に、複雑な製作工程の簡単化・低コスト化と共に、製作精度と性能の向上が望まれている。
さらに、貴金属や重金属であるタングステン、金、ニッケルは高価であり重さもかさむ。そのため、大量生産等に適合性が高く、安価、軽量で製品化しやすい素材を用いても作製可能である、新規な構造の材料も望まれている。
貴金属‐誘電体‐貴金属の積層型のメタマテリアル構造をベースに、特定の波長近辺の光・電磁波を高効率で吸収する材料を製作することができる。このような電磁波吸収材料は、高感度な水素センサー、二酸化炭素センサー、太陽電池用の高効率化などへの応用が可能である。しかし、これまでは金や銀などの貴金属を用い、高価で時間のかかるプロセスである集束イオンビーム、電子ビームリソグラフィープロセスやナノインプリントを使用した材料のみが実現している（非特許文献２〜５）。
また、従来の電磁波吸収及び輻射材料では、金、銀やアルミニウムなどの比較的融点の低い金属が用いられていたので、耐熱性に乏しく、高温での使用には耐えられなかった。プランクの法則によれば、物体の温度が高くなるほど熱輻射の強度は大きくなる。したがって、とりわけ、輻射材料としての用途を目指す場合には、より大きな輻射強度を得るために材料をより高温にする必要があるので、耐熱性が求められる。
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本発明の課題は、上述した従来技術で使用されるキャビティ構造のような本質的に三次元的である構造の代わりに、二次元かつ等方的な構造の組み合わせで実現できる、単純かつ作製容易な構造に基づいて、高い波長選択性を有する電磁波吸収及び輻射材料を提供することにある。本発明はまた、作製容易な構造でしかも大型化が容易な、狭帯域かつ制御が容易な赤外線源を提供することもその課題とする。
本発明の第一側面によれば、一様な連続面である導電体表面から積層方向に離間して複数の導電体ディスクを配列した、積層構造を有する電磁波吸収及び輻射材料が与えられる。
ここで、前記導電体ディスクは前記導電体表面に設けられた誘電体層の表面に配列されてよい。
ここで、前記導電体ディスクは前記導電体表面に設けられた誘電体層の表面に配列されてよい。
また、本発明の第一側面に係る積層構造を有する電磁波吸収及び輻射材料において、前記導電体表面は導電体箔または下地の上に形成された導電体膜である導電体層の表面であってよい。
また、前記複数の導電体ディスクは互いに同じサイズであってよい。
また、前記複数の導電体ディスクは円形であってよい。
また、前記導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一はＡｌ、Ｔｉ等の軽金属であってよい。
また、導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一はＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｒｅ，ＭｏＳｉ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ６、ＡｌＢ２等の高耐熱材料であってよい。
また、前記複数の導電体ディスクは互いに同じサイズであってよい。
また、前記複数の導電体ディスクは円形であってよい。
また、前記導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一はＡｌ、Ｔｉ等の軽金属であってよい。
また、導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一はＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｒｅ，ＭｏＳｉ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ６、ＡｌＢ２等の高耐熱材料であってよい。
本発明の第二側面によれば、一様な連続面である第一の導電体表面に誘電体層を形成し、前記誘電体層の上に第二の導電体の層を形成し、前記第二の導電体の層の表面に複数の球を単層配列し、前記複数の球をマスクとして前記第二の導電体の層をエッチングして、前記複数の球直下の前記第二の導電体の層を複数の導電体ディスクとして残し、前記複数の球を除去するステップを有する、電磁波吸収及び輻射材料の製造方法が与えられる。
ここで、前記第二の導電体の層のエッチングに先立って、前記複数の球のサイズを一様に縮小するステップを含んでよい。
ここで、前記第二の導電体の層のエッチングに先立って、前記複数の球のサイズを一様に縮小するステップを含んでよい。
また、本発明の第二側面に係る製造方法において、前記複数の球のサイズの一様な縮小は反応性エッチングによって行ってよい。
また、前記第二の導電体の層の表面への複数の球の単層配列は、液体表面に複数の球を浮かせ、これを前記第二の導電体の層の表面に転写することによって行ってよい。
また、前記複数の球はポリスチレン球であってよい。
また、前記複数の球は互いに同じサイズであってよい。
また、導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一つはＡｌ、Ｔｉ等の軽金属からなってよい。
あるいは、導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一つはＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｒｅ，ＭｏＳｉ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ６、ＡｌＢ２等の高耐熱材料であってよい。
また、前記第二の導電体の層の表面への複数の球の単層配列は、液体表面に複数の球を浮かせ、これを前記第二の導電体の層の表面に転写することによって行ってよい。
また、前記複数の球はポリスチレン球であってよい。
また、前記複数の球は互いに同じサイズであってよい。
また、導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一つはＡｌ、Ｔｉ等の軽金属からなってよい。
あるいは、導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一つはＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｒｅ，ＭｏＳｉ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ６、ＡｌＢ２等の高耐熱材料であってよい。
本発明の第三側面によれば、上記第一側面に係る積層構造を有する電磁波吸収及び輻射材料を使用した赤外線源が与えられる。
本発明によれば、簡単で製造容易な構造であるにもかかわらず、波長選択性を有する電磁波吸収及び輻射材料を提供することができる。本発明の電磁波吸収及び輻射材料はまた、その構造から、高機械強度及び高耐熱性能を容易に実現できる。更に、本発明により、簡単、製造容易かつスケーラブルな構造であるにもかかわらず、狭帯域であってしかも輻射スペクトルをほとんど変化させることなく、輻射強度を広い範囲で簡単に調節することが可能な赤外線源を提供することができる。
本発明の一実施形態は導電体と誘電体薄膜とを積層し、紫外から遠赤外帯域の所定の波長の光を選択的かつ高効率に吸収することでその電磁波エネルギーを電気エネルギー、熱エネルギー、化学エネルギーに変換し、さらに、逆に加熱などを行うことなどで高効率な赤外線輻射も行うことのできる、軽量・安価かつ大面積な積層型２次元構造を有する電磁波吸収及び輻射材料、及びその製造方法に関する。
ここで言う積層型２次元構造とは、具体的には図１に示すように、導電体面から離間させて複数の導電体ディスクを配列した構造である。導電体面１２ａは導電体（図１に第一金属層として示す）１２の表面を使用する。第一金属層１２は、図１の（ａ）に示すように金属等の導電体の箔を使用したり、あるいは図１の（ｂ）に示すように導電体層（第一金属層１２）を下地（基板等）１０の上に成膜したりすることで、形成できる。なお、図１に「第一金属層」として示す層１２は必ずしも金属からなっている必要はなく、金属以外の各種の導電体も使用できるため、以下では必要に応じて「第一導電層」とも呼ぶ。なお、後述する「金属ディスク」、「金属ディスク層」等についても、同様に、必要に応じて「導電体ディスク」、「導電体ディスク層」とも呼ぶ。第一導電層１２の厚さは１０ｎｍ〜１ｍｍ程度で良い。１０ｎｍ以上であれば、厚さが大きくなるほど応答性が高くなる。第一導電層を蒸着で成膜する場合、蒸着で成膜できる厚さを上限値とすれば良く、時間及び費用の観点から２００ｎｍ程度がリーズナブルである。蒸着しない場合は無垢の平らな金属下地を用いても良い。第一導電層１２の厚さは、好ましくは、５０ｎｍ〜３００ｎｍであるが、これに限定されない。
また、複数の導電体ディスク１６ａを配置した領域を、図１に第二金属ディスク層１６として示す。導電体ディスク１６ａの厚さは１０ｎｍ〜１０μｍ程度で良い。第一導電層と同様の理由から、導電体ディスク１６ａの厚さは、好ましくは、５０ｎｍ〜３００ｎｍであるが、これに限定されない。また、導電体面１２ａと複数の導電体ディスク１６ａとを離間して配置するために、導電体面１２ａ上に誘電体層（第一誘電体層）１４を形成し、その上に導電体ディスク１６ａを配置することができる。
更に、導電体ディスク１６ａ上に保護用の第二誘電体層１８を形成してもよい。第二誘電体層１８の厚さは１ｎｍ〜１μｍ程度で良い。あるいは、保護等が不要である場合や、上述のようにして作製した電磁波吸収及び輻射材料を更に他の部材等と組み合わせて他の製品を作製する際に金属ディスクの保護のための処置も同時に行われる等の場合には、第二誘電体層１８を省略しても構わない。
ここで、導電体ディスク１６ａを円形とすることで、入射電磁波の偏光方向に影響されない電磁波吸収特性が実現される。また、これらのディスク１６ａを互いに同じサイズとすることで、鋭い波長選択性が得られる。ディスクサイズ（導電体ディスク１６ａの直径）は０．０１μｍ〜１００μｍの範囲とするのが好ましく、０．５〜２０μｍがより好ましい。特に、ドライエッチングで製造する場合、導電体ディスク１６ａの直径が０．５〜２０μｍであると製造し易い。なお、導電体ディスク１６ａの直径はこの範囲に限定されない。ここで、ディスク１６ａの直径はプラズモンの定在波を生じるように、その共鳴波長に対して半分程度以下のオーダーになり、この波長で強い電磁波吸収が起こる。従って、所望の吸収波長からディスク１６ａの所要の直径のおおよその値を予想することができる。導電体ディスク１６ａの下面と導電体面１２ａとの間隔は、ディスク１６ａの厚さと同程度以上の値とディスク１６ａの直径の１０分の１以上の値とのどちらか大きい方とするのが好ましい。また、当該間隔は、ディスクの密度が極端に小さくならず、同時にディスク同士の電磁気的相互作用があまり大きくならない距離とすることが好ましい。具体的には、ディスク１６ａの直径以下とすることが好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上ディスク１６ａの直径以下であるが、これに限定されない。
また、図５（ｂ）、図６の電子顕微鏡写真からわかるように、複数の導電体ディスク１６ａは格子点状（例えば、後述する単分散球体を稠密に充填した場合にできる稠密六方格子の格子点）に完全に規則的に配置する必要はない。むしろ、配置のランダム性、つまり格子点上配置からの多少のずれがあった方が好都合な面が多い。この場合、規則的な配列に起因する吸収波長特性の余分なピークを抑制できる（図８Ａ中のシミュレーション結果のグラフと実測値のグラフの波長４μｍ前後及び５．９μｍ前後の形状を比較されたい。図８Ａでは、導電体ディスク１６ａが稠密六方格子の格子点上に配列された電磁波吸収及び輻射材料に関するシミュレーション結果の方が、導電体ディスク１６ａが当該格子点上にからずれて配列された電磁波吸収及び輻射材料の実測値よりも、波長４μｍ前後及び５．９μｍ前後で大きなディップを示す）。なお、複数の導電体ディスク１６ａは、隣り合うディスクの中心間距離（周期）が、好ましくはディスク１６ａの直径の２倍程度〜１．１倍程度、より好ましくはディスク１６ａの直径の１．５倍程度〜１．１倍程度となるように配置され、全表面積に対するディスクの占有率が０．５〜０．８程度になるように配置されるが、これに限定されない。
また、第一金属層１２及び導電体ディスク１６ａの材料（原料）としては、通常のプラズモンを利用したデバイスで良く見られるようなＡｕ等の貴金属に限定されるものではなく、軽金属（Ａｌ、Ｔｉ等）、その他の多様な卑金属（Ｆｅ、Ｃｕ等）、それらの合金、あるいはその他の導電性化合物（ＴｉＣ、ＴａＣ、ＲｕＯ等の導電性を有する金属炭化物、酸化物、窒化物、ホウ化物等）を使用できる。また、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｒｅ，ＭｏＳｉ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ６、ＡｌＢ２等の高耐熱材料も使用できる。さらに、第一金属層１２と第二金属ディスク層１６とは同じ導電性材料を使用してもよく、あるいは別の材料を使用してもよい。
また、第一、第二誘電体層１４、１８も特に材料（原料）を限定するものではないが、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物絶縁体、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物やＢＮなどのホウ化物の絶縁体、ＭｇＦ２、ＣａＦ２等の金属ハロゲン化物絶縁体、絶縁性ポリマー等を使用することができる。これらの誘電体層１４、１８の材料も、必要とされる性能や製造プロセスの都合等に従って、それぞれ互いに独立に使用する材料を選択することができる。
本実施形態に係る積層型２次元構造は、図１に示すような金属層（導電体層）１２の上に金属層１２から離間させて導電体ディスク１６ａを配列した構造に限定されるものではなく、導電体ディスク１６ａの配列と相補的な形状、すなわち図２に示すような複数の孔２６ａを配列した導電体層（孔付き導電体層）２６を導電体ディスク１６ａの配列の代わりに使用してもよい。本願では、図１に示すような導電体ディスクの配列を設けた構造を「ディスクアレイ構造」と、また図２に示すような孔を配列した金属層を設けた構造を「ホールアレイ構造」と呼ぶ。
図２に示すホールアレイ構造は、第一誘電体層１４上に、複数の導電体ディスクではなく、複数の孔２６ａが配列された導電体層２６が形成されている点を除いて、図１のディスクアレイ構造と同様の構成を備える。ここで、ディスクアレイ構造について先に説明したように、「金属層」のように材料（原料）として「金属」と表記してあった場合、金属以外の導電体で構成してももちろんよい。
導電体面１２ａを提供するための導電体層１２の厚さは１０ｎｍ〜１ｍｍ程度で良い。好ましくは、５０〜２００ｎｍであるが、これに限定されない。また、孔２６ａを配列した導電体層（第二金属層）２６の厚さは１０ｎｍ〜１０μｍ程度で良い。好ましくは、５０〜２００ｎｍであるが、これに限定されない。なお、複数の孔２６ａは、導電体層２６を貫通するものである。ここで、ディスクアレイ構造の場合と同様に、孔２６ａの直径は発生するプラズモン共鳴の共鳴波長の半分程度以下のオーダーになり、この波長で強い電磁波吸収が起こる。従って、ホールアレイ構造の場合も、所望の吸収波長から孔２６ａの所要の直径のおおよその値を求めることができる。更に、導電体面１２ａと孔２６ａを配列した導電体層２６とを離間して配置するために、導電体面１２ａ上に誘電体層（第一誘電体層）１４を形成し、その上に孔２６ａを配列した導電体層２６を設けることができる。更に、図１Ａ、１Ｂのディスクアレイ構造と同様、孔２６ａを配列した導電体層２６の上に、保護用の第二誘電体層（図示せず）を形成してもよい。第二誘電体層の厚さは１ｎｍ〜１μｍ程度で良い。あるいは、保護等が不要である場合や、このようにして作製した電磁波吸収及び輻射材料を更に他の部材等と組み合わせて他の製品を作製する際に孔２６ａを配列した導電体層２６の保護のための処置も同時に行われる等の場合には、第二誘電体層を設けなくてもよい。
これらの第一、第二誘電体層も特に材料（原料）を限定するものではないが、例えばディスクアレイ構造の場合と同じく、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物絶縁体、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物やＢＮなどのホウ化物の絶縁体、ＭｇＦ２、ＣａＦ２等の金属ハロゲン化物絶縁体、絶縁性ポリマー等を使用することができる。これら誘電体層の材料も、必要とされる性能や製造プロセスの都合等に従って、それぞれ互いに独立に使用する材料を選択することができる。
また、導電体面１２ａを与える導電体層１２及び孔２６ａを配列した導電体層２６の材料（原料）についても、ディスクアレイ構造と同様に、通常のプラズモンを利用したデバイスで良く見られるようなＡｕ等の貴金属に限定されず、軽金属（Ａｌ、Ｔｉ等）、その他の多様な卑金属（Ｆｅ、Ｃｕ等）、それらの合金、あるいはその他の導電性化合物（ＴｉＣ、ＴａＣ、ＲｕＯ等の導電性を有する金属炭化物、酸化物、窒化物、ホウ化物等）を使用できる。また、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｒｅ，ＭｏＳｉ２、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ６、ＡｌＢ２等の高耐熱材料も使用できる。さらに、これら両導電体層は同じ導電性材料を使用してもよく、あるいは別の材料を使用してもよい。
また、孔２６ａを円形とすることで、入射電磁波の偏光方向に影響されない電磁波吸収特性が実現される。更に、孔２６ａを互いに同じサイズとすることで、鋭い波長選択性が得られる。孔２６ａのサイズ（直径）は０．０１μｍ〜１００μｍの範囲とするのが好ましく、０．５〜２０μｍとすることがより好ましいが、これに限定されない。孔２６ａを配列した導電体層２６の下面と導電体面１２ａとの間隔は、この導電体層２６の厚さと同程度以上の値と孔２６ｂの直径の１０分の１以上の値とのどちらか大きい方とするのが好ましい。また、当該間隔は１μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上１μｍ以下であるが、これに限定されない。
このようなホールアレイ構造を有する電磁波吸収及び輻射材料においては、短い波長の共鳴モードはホール（孔２６ａ）の周期（つまり、周期的に配列された孔２６ａの間隔）及び誘電体層１４の厚さに、長い波長の共鳴モードは孔２６ａのサイズに主に依存する傾向を持つ。これらの構造を適切に調整することで、目的に応じた共鳴周波数及びモードの個数を実現することが可能となる。なお、ホールアレイ構造では、ディスクアレイ構造の場合に複数の導電体ディスク１６ａで構成されていた要素を一つの導電体層２６で構成できる。従って、この部分（第二金属層１６または２６）に電気的接続を取る必要がある場合には、その実現が容易であるという利点がある。なお、複数の孔２６ａは、隣り合う孔の中心間距離が、好ましくは０．５〜２０μｍ、より好ましくは１．０〜１５.０μｍとなるように配置され、全表面積に対する孔の占有率が０．３〜０．７程度になるように配置されるが、これに限定されない。
また、ディスクアレイ構造の場合のように、孔２６ａの配置は必ずしも格子点状（例えば稠密六方格子の格子点）に完全に規則的に配置せず、配置のランダム性、つまり格子点上配置からの多少のずれを設けてもよい。ただし、ディスクアレイ構造とは違って、ホールアレイ構造の場合は、この不規則性の影響は長波長及び短波長の二つのモードの両方に現れる。つまり、ホールアレイ構造で孔２６ａの配置の周期性を崩すと、スペクトル全体に渡ってディップあるいはピークの形状がブロードになり、またディップの深さ／ピークの高さも減少する。ディスクアレイ構造では、長波長モード側にはほとんどこの不規則性の影響が現れず、短波長モード側で上述したブロード化及び深さ／高さの減少が起こるだけである。
本実施形態に係る電磁波吸収及び輻射材料のうちのディスクアレイ構造を有するものは、以下のようにして作製することができる。
第１の方法では、水溶液表面に浮かべた単層ポリスチレン球（図３の符号Ｂ）を金属−誘電体−金属構造に転写する方法である、コロイダルリソグラフィー（非特許文献６）を用いる。これにより、ポリスチレン球をマスクとして用いて、大面積デバイス向けのディスクアレイ構造を簡便・迅速且つ安価に製造可能である。
図３を参照して具体的に説明すれば、先ず、基板等の下地１０の上に第一金属層（第一の導電体）１２をスパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザ堆積法等の物理堆積法あるいはスピンコートとゾルゲル法とを組み合わせた湿式法などを用いて成膜し、その上に第一誘電体層１４、第二金属層（第二金属ディスク層、第二の導電体の層）１６の順に成膜を行う。この上に、水溶液表面に浮かべた単層でサイズの揃ったＰＳ球（ポリスチレン球）Ｂを転写する。これにより、第二金属層１６上に、二次元的なＰＳ球配列、つまり、ＰＳ球Ｂ同士が積み重ならないように単層配列されたＰＳ球Ｂがそのまま転写されたＰＳ球配列が得られる。その後、反応性イオンエッチング（反応性エッチング）によりＰＳ球Ｂのサイズ（直径）を調節する（一様に縮小する）。その後、ＰＳ球Ｂをマスクとして第二金属層１６を反応性エッチングして、ＰＳ球Ｂの直下にそれぞれサイズの揃った導電性ディスク１６ａを残す。ＰＳ球Ｂを除去することで電磁波吸収及び輻射材料が得られる。必要に応じてその上に第二誘電体層１８を形成してもよい。
図５（ａ）は、上述の湿式コロイダルリソグラフィーにおいて、第二金属層１６上に２次元配列（単層配列）した、直径４．４３μｍのポリスチレン球Ｂの走査電子顕微鏡像である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）のポリスチレン球Ｂをマスクとして用いて形成されたＡｌからなる導電体ディスク（Ａｌディスク）１６ａの走査電子顕微鏡像である。さらに、図６（ａ）〜（ｃ）は、直径４．４２μｍのポリスチレン球Ｂをマスクとして用いて、上述の湿式コロイダルリソグラフィーにより形成された導電体ディスク１６ａの走査顕微鏡像である。導電体ディスク１６ａは、（ａ）ではＡｌ、（ｂ）及び（ｃ）ではＴｉＮからなる。また、図６（ｃ）は、反応性イオンエッチングにおけるポリスチレン球Ｂの直径の縮小量を図６（ｂ）よりも大きくした導電体ディスクを示している。図５、６に示されるように、導電体ディスク１６ａの直径はマスクとなるポリスチレン球Ｂの直径に依存するので、ポリスチレン球Ｂの直径を縮小するための反応性イオンエッチング（反応性エッチング）は、所望の導電体ディスク１６ａの直径に応じてその条件を調整しても良い。
ホールアレイ構造の場合も本質的に上に説明したものと同じ方法で作製することができる。この場合の作製手順を以下により具体的に説明する。
まず、スパッタ法により、第一金属層１２及び誘電体層（第一誘電体層）１４を順に積層する。ここで、誘電体層１４の上に、ディスクアレイ構造の作製の場合と同様に、水溶液表面に浮かべた単層でサイズの揃ったＰＳ球Ｂを転写する手法を用いて、ＰＳ球Ｂの二次元配列膜を形成する。ディスクアレイ構造の場合と同様に、反応性イオンエッチングによってＰＳ球Ｂのサイズを調節する。その後、電子線蒸着法により、第二金属層２６を成膜する。このとき、第二金属層２６を成膜する手法として、スパッタ法よりも電子線蒸着法の方が好ましい。なぜならば、スパッタ法による成膜では、マスクの背後へ原子が回り込んでしまう性質が強いため、ＰＳ球マスクの効果が薄れてしまうからである。第二金属層２６を形成したのち、有機溶媒中で超音波洗浄することにより、ＰＳ球Ｂを除去することができる。このようにして、ディスクアレイ構造の場合と同様に、大面積のホールアレイ構造を有する電磁波吸収及び輻射材料を得ることができる。もちろん、ここにおける「第一金属層１２」、「第二金属層２６」についても、ディスクアレイ構造の場合について先に説明したものと全く同じ材料（原料）を使用して作製できるため、これらもより一般的には「第一導電層」、「第二導電層」と呼ぶことができることに注意されたい。
ディスクアレイ構造、ホールアレイ構造の何れの場合も、上述した方法により、電子線リソグラフィー、集束イオンビーム加工等の方法を用いずに、迅速且つ簡便にマスクを製作することができる。ＰＳ球Ｂは真球度が高く、かつサイズ（直径）の分散の小さいものが市販されており、これを用いることにより、真円に近くサイズ（直径）の揃った導電体ディスクを第一誘電体層１４上に配列できる。あるいは、そのような孔２６ａが配列された導電体層２６を第一誘電体層１４上に設けることができる。従って、この方法によれば、大面積で狭帯域の電磁波吸収及び輻射材料を容易に製作することができる。
ここではマスク材料としてＰＳ球を使用したが、同様な加工が可能である材料であればＰＳ以外であっても当然使用できる。
あるいは、小面積であれば、ディスクアレイ構造、ホールアレイ構造の何れの場合でも、真空環境と時間がかかる電子ビームリソグラフィーや集束イオンビーム加工を用いることなく、フォトリソグラフィーを用いてマスクを製作することで、電磁波吸収及び輻射材料を作製することが可能である。ディスクアレイ構造の場合の作製プロセスの例を図４の左図に示す。もちろん、ホールアレイ構造も同様にして作製可能である。また、図４の左図のようなエッチングではなく、図４の右図のようなリフトオフプロセスを使用して導電体ディスク１６ａ配列や孔２６ａの配列された導電体層２６を形成することもできる。これらの方法で使用したプロセス自体は半導体製造技術分野で良く知られている事項であるので、詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る電磁波吸収及び輻射材料によれば、例えばアルミニウムなどの軽金属やその合金であってよい導電体を構成要素として持ち、自在に狭帯域な光吸収・輻射特性を付与させることのできる２次元積層構造が提供される。ここで導電体は貴金属、レアメタル、重金属に限定されるものではなく、軽金属やその合金等、あるいは導電性金属窒化物や金属ホウ化物を使用できる。
また本実施形態に係る電磁波吸収及び輻射材料は、電子線リソグラフィーや集束イオンビーム加工などの真空を用いる高価かつ時間のかかる加工プロセスを経ずに、簡便且つ迅速に作製できる。具体的には、安価なコロイド化学的な自己組織化法や真空蒸着法を利用することにより、本実施形態の電磁波吸収及び輻射材料を作製することができる。また、このようにして得られた本実施形態の電磁波吸収及び輻射材料は高効率な電磁波吸収特性を発揮する。本実施形態では、従来の方法に比べて短時間、安価に高精度なディスクアレイ構造あるいはホールアレイ構造を製作できるため、ｃｍスケール、数十ｃｍスケール以上の大きな面積でも、狭帯域で高効率な吸収材料（電磁波吸収及び輻射材料）の製作が可能となる。本実施形態の材料は、特定波長の赤外光や可視光のみを吸収するという狭帯域特性を有することを応用し、高感度な波長選択型の検出器、それを応用した多波長計測型の温度センサーや小型分光器、ハイパースペクトルセンサーなどへの応用が可能となる。また、特定の波長の電磁波を選択的に輻射するパネル型電磁波輻射材料等への応用が可能となる。また、アルミニウム等や軽金属化合物を用いることができるため、軽量な吸収輻射材料（電磁波吸収及び輻射材料）を実現することができる。
また、本実施形態によれば、高温（８００℃程度以上）で動作可能な高耐熱な電磁波輻射材料を実現することが可能となる。電磁波輻射材料を高温動作させることにより、輻射強度を増大させることができ、かつ、プランクの輻射公式からわかるように、より短い波長の近赤外光を効率的に輻射できるようになる。このような、高温でも動作可能な電磁波輻射材料を実現するためには、具体的には例えばモリブデンや金属窒化物、金属炭化物などの高融点金属材料や、アルミナ、窒化珪素などの誘電体を用いればよい。これにより、高耐熱性及び高輻射強度の電磁波輻射材料を得ることができる。もちろん、用途によっては高温の環境下で電磁波吸収を行う場合もあり得るが、そのような用途で使用される電磁波吸収材料も同様に実現することができる。なお、高温で使用する際には熱膨張・収縮を繰り返すことになる。そのため、そのような電磁波吸収及び輻射材料、あるいはそれを使用する装置には、機械的強度を保つことができる金属―誘電体接合となる材料の組み合わせを使用してもよく、その他、高温下でも熱変形等の影響の出にくい任意の形状・構造を採用することもできる。
ここで、輻射される電磁波は黒体輻射やそれに類する高温物体から輻射される電磁波に比べてそのスペクトルの帯域が狭く、また温度を変化させても中心周波数及びスペクトルの形状がほとんど変化しないという特徴を有する。従って、本実施形態の電磁波吸収及び輻射材料を電磁波輻射材料として使用した場合、電磁波輻射材料の温度を変化させるという単純な操作により、輻射スペクトルをほとんど変化させることなく、輻射強度だけを広い範囲で変化させることができる。
＜第１の実施例＞
図３を参照して説明したところの、ＰＳ球Ｂによる湿式マスクを用いた製造方法でディスクアレイ構造の電磁波吸収及び輻射材料を作製した。この電磁波吸収及び輻射材料に関する計測結果及びシミュレーション結果を以下に示す。図７（ａ）では、第一及び第二金属層１２、１６の材料（原料）として安価な軽金属のアルミニウムを用いたが、ほぼ１００％に近い吸収率を実現できた。
図３を参照して説明したところの、ＰＳ球Ｂによる湿式マスクを用いた製造方法でディスクアレイ構造の電磁波吸収及び輻射材料を作製した。この電磁波吸収及び輻射材料に関する計測結果及びシミュレーション結果を以下に示す。図７（ａ）では、第一及び第二金属層１２、１６の材料（原料）として安価な軽金属のアルミニウムを用いたが、ほぼ１００％に近い吸収率を実現できた。
図７、図８Ａ、図８Ｂは、上記の電磁波吸収及び輻射材料の第二金属層１６の表面に光を当てた時に光の透過率等を測った、またはシミュレーションした結果を示す。
図７は、電磁波吸収及び輻射材料の第二金属層１６の表面に光を当てた時の、入射光強度に対する反射光、透過光及び吸収光の相対強度と入射光の波長との関係を示すシミュレーション結果である。シミュレーションには、第一金属層１２、第一誘電体層１４、及び第二金属層１６の厚さがそれぞれ１００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍである電磁波吸収及び輻射材料を用いた。また、ディスクの直径を３μｍ、周期（ディスクの中心間距離）を４．４μｍとした。第一、第二金属層１２、１６を図７（ａ）ではＡｌ、（ｂ）ではＡｕ、（ｃ）ではＴｉＮとし、いずれも第一誘電体層１４をＡｌ２Ｏ３としてシミュレーションを行った。また、シミュレーションは、ＲＣＷＡ法という計算手法で行った。第一金属層１２の厚さは大きいため、図７に示すように、透過光の相対強度はゼロとなった。また、導電体層１２、１６の材料（原料）を変えても、各スペクトルは同様の特性を示した。
［反射率］＝１−［透過率］−［吸収率］
という一般に成立する関係式に透過率＝０を代入すると、
［反射率］＝１−［吸収率］
となり、実際、後述する電磁シミュレーションの結果は、反射率と吸収率が上下反転した形状になっている。キルヒホッフの法則によると、吸収率と輻射率は等しいため、吸収率が高いと言うことは輻射率も高いと言うことである。このため１００％近い吸収率を持つと言うことは１．０に非常に近い輻射率を持つ非常に高効率な電磁波輻射材料に成りうることを示している。このため、構造を制御することで所望の波長の電磁波を高効率に輻射できるパネル型の材料が可能となる。
という一般に成立する関係式に透過率＝０を代入すると、
［反射率］＝１−［吸収率］
となり、実際、後述する電磁シミュレーションの結果は、反射率と吸収率が上下反転した形状になっている。キルヒホッフの法則によると、吸収率と輻射率は等しいため、吸収率が高いと言うことは輻射率も高いと言うことである。このため１００％近い吸収率を持つと言うことは１．０に非常に近い輻射率を持つ非常に高効率な電磁波輻射材料に成りうることを示している。このため、構造を制御することで所望の波長の電磁波を高効率に輻射できるパネル型の材料が可能となる。
図７のように、電磁シミュレーションでは、ＡｌとＡｕの組み合わせでも同様な吸収特性が生じることが示された（図７（ｂ））。また、導電性セラミクス材料であるＴｉＮを用いてもそん色ない性能が実現できると言うシミュレーション結果がえられた（図７（ｃ））。これは適切な材料（原料）を用いることで、金や銀を用いなくとも十分高性能な電磁波吸収の性能あるいは、電磁波輻射特性を持たせた電磁波吸収及び輻射材料を作成することが可能であることを示している。ＴｉＮは機械的強度が高く、軽量であり、また、高温でも使用できるため、例えば熱線を高効率に吸収しそのエネルギーを狭帯域な近赤外や中赤外波長の電磁波として高効率に輻射できる電磁波輻射材料として使用できる。
［電磁シミュレーション］
ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method; FDTD method）による実空間電磁場分布シミュレーションとＲＣＷＡ法（Rigorous coupled-wave analysis（ＲＣＷＡ））を用いた電磁シミュレーションの結果を図８Ａと図８Ｂに示す。また、図８Ａには、反射率の実測値と３００℃での輻射強度の測定結果も示す。シミュレーション及び測定には、第一金属層１２、第一誘電体層１４、及び第二金属層１６の厚さがそれぞれ１００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍである電磁波吸収及び輻射材料を用いた。また、ディスクの直径を２．３μｍ、周期（ディスクの中心間距離）を４．４μｍとし、第一、第二導電体層１２、１６をアルミニウム、第一誘電体層１４をアルミナで形成した。また、シミュレーションはＲＣＷＡ法で行った。反射率の測定は赤外分光法で行った。輻射強度の測定は後述する図１０の計測装置を用いた。図８Ａに示すように、反射スペクトルの計算結果及び実測値は、７．３μｍ付近の波長に鋭い反射の減少を示し、波長７．３μｍでほぼゼロとなった。この電磁波吸収及び輻射材料が、図７に示すように電磁波を透過させないことを考慮すると、これは、この波長ではほぼ１００％の電磁波の吸収が生じていることを示している（吸収＝１−反射）。
ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method; FDTD method）による実空間電磁場分布シミュレーションとＲＣＷＡ法（Rigorous coupled-wave analysis（ＲＣＷＡ））を用いた電磁シミュレーションの結果を図８Ａと図８Ｂに示す。また、図８Ａには、反射率の実測値と３００℃での輻射強度の測定結果も示す。シミュレーション及び測定には、第一金属層１２、第一誘電体層１４、及び第二金属層１６の厚さがそれぞれ１００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍである電磁波吸収及び輻射材料を用いた。また、ディスクの直径を２．３μｍ、周期（ディスクの中心間距離）を４．４μｍとし、第一、第二導電体層１２、１６をアルミニウム、第一誘電体層１４をアルミナで形成した。また、シミュレーションはＲＣＷＡ法で行った。反射率の測定は赤外分光法で行った。輻射強度の測定は後述する図１０の計測装置を用いた。図８Ａに示すように、反射スペクトルの計算結果及び実測値は、７．３μｍ付近の波長に鋭い反射の減少を示し、波長７．３μｍでほぼゼロとなった。この電磁波吸収及び輻射材料が、図７に示すように電磁波を透過させないことを考慮すると、これは、この波長ではほぼ１００％の電磁波の吸収が生じていることを示している（吸収＝１−反射）。
図８Ｂは、波長７．３μｍにおける電磁場の分布を示す。この電磁場の分布を見ることにより、この様な鋭く、しかも強い吸収特性を持つ理由が分かる。すなわち、一般に、電磁場が金属の表面近傍から内部にしみこむ場合、金属材料の内部で電子が振動することによりエネルギーの損失が生じ、共鳴周波数が広がりスペクトルがブロードになる。一方、図８Ｂの波長７．３μｍにおける共振の振動モードを見ると、第一金属層１２と第二金属層１６での電子の動きが反対である（図８Ｂの第一、第二金属層１２、１６上の矢印）。このため、発生した磁場は金属内よりはむしろ第一誘電体層１４の中に強く閉じ込められるモードとなっている。このとき、第一金属層１２と第二金属層１６に生じる互いに逆向きの電流によって生じる実効的なループ電流により、第二電極層１６直下の第一誘電体層１４に強い磁場が生じている。なお、図８Ｂの系に入力される電磁場は交流であるから、これによって引き起こされる第一誘電体層１４中の強い磁場も当然交流磁場である。このことは、電磁場のエネルギーが金属表面から離れて誘電体内に集中しており、このために金属内での電子振動によるエネルギー損失が抑えられ、スペクトル幅が狭くなるのだと考えられる。また、図８Ｂの電場の実空間分布を見ると、ディスク構造のエッジに集中して大きな電場を生じていることが分かる。この電場増強効果を利用することで、表面増強赤外吸収や表面増強ラマン散乱などの下地として、有用であることが予測できる。ここで一般的な説明を行えば、強い電磁場吸収が起きるモードは、上の金属層と下の金属層に反対方向の（プラズモン振動に伴う電荷移動により生じる）電気分極が生じる場合である。ここで上下の金属層の一方（図８Ｂに示した例で言えば第二金属層）は、ディスクアレイ構造の場合には、図８Ｂにおける磁場の空間分布に関する説明から直ちに理解できるように、導電体ディスクである。これに対して、ホールアレイ構造の場合には、上下の金属層の一方は、隣接する孔間に存在する導体であることもまた明らかであろう。
図９は、導電体ディスク１６ａの直径による透過率及び垂直の輻射の違いを測定及びシミュレーションした結果である。第一金属層１２、第一誘電体層１４、及び第二金属層１６の厚さがそれぞれ１００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍである４つの電磁波吸収及び輻射材料Ｓ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄを用いた。周期（ディスクの中心間距離）を４．４μｍとし、第一、第二導電体層１２、１６をＡｌ、第一誘電体層１４をアルミナで形成した。また、４つの電磁波吸収及び輻射材料Ｓ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄの導電体ディスク１６ａの直径を、それぞれ、６．７３μｍ（Ｓ３ａ）、７．４６μｍ（Ｓ３ｂ）、８．１５μｍ（Ｓ３ｃ）、８．６５μｍ（Ｓ３ｄ）とした。図９上図及び中図は、それぞれ、入射光の波長に対する第二金属層１６の透過率（透過率のスペクトル）のシミュレーション結果及び測定結果である。図９下図は、垂直の輻射とその波長との関係（輻射スペクトル）を測定した結果である。シミュレーションはＲＣＷＡ法で行った。透過率は、「１−反射率」として求めた。垂直の輻射はＦＴＩＲ法で測定した。図９から、透過率の最小ピーク及び垂直の輻射の最大ピークを示す波長が、導電体ディスク１６ａの直径により変わることが分かる。
＜第２の実施例＞
高い温度まで機能できるように、第一金属層１２と第二金属層１６共に耐熱性の高い材料（原料）であるＭｏを用い、また誘電体層１４にアルミナを用いたディスクアレイ構造の電磁波吸収及び輻射材料を作製し、これを試料としてその特性を測定した。測定対象の電磁波吸収及び輻射材料の下地１０はＳｉを使用し、Ｍｏ第一金属層１２、アルミナ誘電体層１４、及びＭｏ第二金属層１６の厚さはそれぞれ１μｍ、１５０ｎｍ、１００ｎｍであった。ディスク１６ａの直径は１．７μｍであった。また、ここでの輻射測定に当たっては、図１０に構成を概念的に示す計測装置を使用した。なお、図１０の計測装置構成で真空窓が二つ用意されているのは、窓毎に種類の違う放射温度計を設置しておくことで、使用する放射温度計の切替を試料（赤外発光体）の角度の変更だけで実現できるようにするためである。実験は圧力１０−７Ｔｏｒｒ台の真空環境で行い、ＺｎＳｅ真空窓（可視光から赤外光までの広い範囲を透過）を通してパワーメーター（０．１９〜２５μｍの計測が可能）で可視波長・赤外光のパワーを計測し、また石英真空窓（４μｍより短い波長の可視光・赤外光を透過）を通してパワーメーター（０．１９〜２５μｍの計測が可能）を用いてパワーを計測した。測定はあらかじめ、窓の透過率スペクトルを測定し、それを用いて窓での透過率の減少を考慮した輻射パワーの補正を施した。
高い温度まで機能できるように、第一金属層１２と第二金属層１６共に耐熱性の高い材料（原料）であるＭｏを用い、また誘電体層１４にアルミナを用いたディスクアレイ構造の電磁波吸収及び輻射材料を作製し、これを試料としてその特性を測定した。測定対象の電磁波吸収及び輻射材料の下地１０はＳｉを使用し、Ｍｏ第一金属層１２、アルミナ誘電体層１４、及びＭｏ第二金属層１６の厚さはそれぞれ１μｍ、１５０ｎｍ、１００ｎｍであった。ディスク１６ａの直径は１．７μｍであった。また、ここでの輻射測定に当たっては、図１０に構成を概念的に示す計測装置を使用した。なお、図１０の計測装置構成で真空窓が二つ用意されているのは、窓毎に種類の違う放射温度計を設置しておくことで、使用する放射温度計の切替を試料（赤外発光体）の角度の変更だけで実現できるようにするためである。実験は圧力１０−７Ｔｏｒｒ台の真空環境で行い、ＺｎＳｅ真空窓（可視光から赤外光までの広い範囲を透過）を通してパワーメーター（０．１９〜２５μｍの計測が可能）で可視波長・赤外光のパワーを計測し、また石英真空窓（４μｍより短い波長の可視光・赤外光を透過）を通してパワーメーター（０．１９〜２５μｍの計測が可能）を用いてパワーを計測した。測定はあらかじめ、窓の透過率スペクトルを測定し、それを用いて窓での透過率の減少を考慮した輻射パワーの補正を施した。
図１１の上側にこの実施例の室温における反射率のスペクトル（実線：理論計算結果、点線：実測値）のグラフを、下側に昇温状態での輻射強度スペクトルの実測値のグラフを示す。
上側のグラフを見るに、波長６μｍ付近における計算による反射率は、シミュレーションでは０％に近い値をとり、実験（実測値）でも１０％以下の値を示した。この試料では透過が無いため、この実測値はこの波長における吸収が９０％以上あることを意味している。
この試料の第一金属層１２のＭｏにコンタクトを取り、１０−７Ｔｏｒｒ台の真空中で加熱を行った結果が下側のスペクトルである。温度を４００℃から８００℃まで１００℃ずつ増加させて、赤外輻射強度を計測した。輻射スペクトルは、予想通り反射率のスペクトルのほぼ逆のスペクトル形状となり、６μｍに大きなピークを持つことが確認された。２．８μｍの高エネルギー側にも小さな輻射ピークが観察されたが、その強度は小さかった。従って、加熱することでこの電磁波吸収及び輻射材料は、６μｍ近傍に中心をもつとともに、温度を変化させることでスペクトルの形状をほぼ一定に維持したままで輻射強度だけを覆波に変化させることができる。そのため、この電磁波吸収及び輻射材料を単色の赤外輻射光源として使用が可能である。計測された輻射は、８００℃において試料から１５０ｍｍの距離で０．２５ｍＷ／ｍｍ２であった。この輻射の角度分布は、表面法線方向から±７０°程度に亘ってほぼ均一に広がっており、広角照射が必要とされる装置の光源として使用が可能である。たとえば、夜間に赤外光を用い撮影を行う暗視カメラなどに装備し、広範囲からの反射光を計測するなどの使用法が可能である。
また、本実施例の電磁波吸収及び輻射材料は、レンズなどで集光することで２〜３W程度の赤外光源として使用することも可能である。更には、このように大きなエネルギーを取り出すことができること、また、上述したように本実施形態の電磁波吸収及び輻射材料は大面積化が容易であるため輻射量を更に増加させることも容易であること、さらに、発生する赤外線のスペクトルが通常の発熱体から輻射される赤外線と比較して峡帯域であり、その中心周波数やスペクトルの形状は温度にほとんど影響されないことなどから、例えば特定の対象を効率よく加熱でき、しかも輻射量を広い範囲で静的・動的に調節可能な（つまり、輻射量を最初に特定の値に設定したまま使用し続けることも、また動作中に輻射量を変化させることも可能な）赤外線源としても有用である。なお、このような赤外線源としては、本実施形態の電磁波吸収及び輻射材料を単独で使用してもよいし、あるいは発熱体、その他各種の補助的な構成要素（発熱体、制御回路、センサ、電源、筐体等）と組み合わせた、多様な構成を取り得る赤外線発生装置、より一般的には電磁波発生装置、として構成してもよい。また、本実施例はディスクアレイ構造を取っているが、当然のこととして、本実施例で説明した赤外線／電磁波発生装置としての特徴はホールアレイ構造を採用した場合もそのまま当てはまる。
＜第３の実施例＞
図２に構造を概念的に示すホールアレイ構造の電磁波吸収及び輻射材料を作製した。具体的には、下地１０としてのシリコンウエハ表面に、第一導電体層１２としてＭｏを０．２μｍ、更に第一誘電体層１４としてアルミナを０．４７μｍ厚で成膜した。その上に、既に説明したように、直径３μｍのポリスチレン（ＰＳ）球Ｂの単層を転写し、反応性エッチングによってこれらＰＳ球のサイズを一様に縮小して直径１．１μｍ、１．２μｍ及び１．３μｍとすることでマスクを形成した。このマスクの上からＭｏを０．１μｍ厚で製膜することで、それぞれ直径１．１μｍ、１．２μｍ及び１．３μｍの複数の孔２６ａを有する３種類の孔付き導電体層２６を形成し、図２に概念的に示したホールアレイ構造を作製した。このようにして作製されたホールアレイ構造を有する電磁波吸収及び輻射材料の一を、その孔２６ａのあいたＭｏ層２６側から走査電子顕微鏡で観察した結果を図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。図１２Ｂは図１２Ａと同じ表面を更に高倍率で観察した結果である。
図２に構造を概念的に示すホールアレイ構造の電磁波吸収及び輻射材料を作製した。具体的には、下地１０としてのシリコンウエハ表面に、第一導電体層１２としてＭｏを０．２μｍ、更に第一誘電体層１４としてアルミナを０．４７μｍ厚で成膜した。その上に、既に説明したように、直径３μｍのポリスチレン（ＰＳ）球Ｂの単層を転写し、反応性エッチングによってこれらＰＳ球のサイズを一様に縮小して直径１．１μｍ、１．２μｍ及び１．３μｍとすることでマスクを形成した。このマスクの上からＭｏを０．１μｍ厚で製膜することで、それぞれ直径１．１μｍ、１．２μｍ及び１．３μｍの複数の孔２６ａを有する３種類の孔付き導電体層２６を形成し、図２に概念的に示したホールアレイ構造を作製した。このようにして作製されたホールアレイ構造を有する電磁波吸収及び輻射材料の一を、その孔２６ａのあいたＭｏ層２６側から走査電子顕微鏡で観察した結果を図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。図１２Ｂは図１２Ａと同じ表面を更に高倍率で観察した結果である。
図１３に、このホールアレイ構造を有する電磁波吸収及び輻射材料の反射スペクトルを計測した結果を示す。ホール径を１．１μｍ、１．２μｍ及び１．３μｍの三通りに変化させることで、長波長側の波長３μｍ近傍の反射率のディップの波長が変化することがわかる。また、図示はしないが、アルミナ膜の厚さを変化させることで、図１３の波長２．２μｍの反射率ディップの位置（波長）を変化させることができる。この性質を用いて、２つの吸収波長を変化させて波長選択吸収素子や、波長選択赤外光源を実現することができる。
詳細に説明されている通り、本発明の電磁波吸収及び輻射材料（光吸収輻射材料）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）高温環境下で熱線を吸収し、そのエネルギーを近赤外光へと変換することのできる、熱光起電力用の熱エネルギー吸収・近赤外光輻射材料。
（２）赤外線検出素子に搭載され、その素子の高感度化と同時に、波長選択性を持たせることが可能であり、特定の波長を検出する赤外検出器。また、この赤外線検出素子を多数波長を変えて並べた、回折格子や干渉計を必要としない小型な高感度分光器。
（３）中赤外から近赤外の特定波長の電磁波を放出できるパネルヒーター。
（４）紫外‐中赤外の特定の波長の電磁波を輻射する無偏光タイプの狭帯域光源。
（５）紫外‐中赤外の特定の波長の電磁波を吸収する無偏光タイプの検出器。
（６）上記（４）を光源とし（５）を検出器とする、或いはその一方を用いるリモコン装置。
（７）表面増強赤外吸収や表面増強ラマン散乱などの高感度分光の為の下地。
（８）高価なＬＥＤやレーザーの代わりとして使用する安価な赤外光源。
（９）小型赤外カメラのための広角な赤外光源。
（１０）特定の分子の振動や吸収波長に合わせて輻射波長が設計された近赤外および中赤外輻射光源。
（１１）上記（２）の波長選択赤外検出素子と（１０）の赤外光源とを組み合わせた装置。光源と波長選択赤外検出素子との間に、計測する対象物を配置し、その対象物の状態や特定の物質の有無を計測する装置。
（１２）対象物の特性に合わせた波長の赤外線を輻射することで効率よく加熱を行う赤外線源。
（１）高温環境下で熱線を吸収し、そのエネルギーを近赤外光へと変換することのできる、熱光起電力用の熱エネルギー吸収・近赤外光輻射材料。
（２）赤外線検出素子に搭載され、その素子の高感度化と同時に、波長選択性を持たせることが可能であり、特定の波長を検出する赤外検出器。また、この赤外線検出素子を多数波長を変えて並べた、回折格子や干渉計を必要としない小型な高感度分光器。
（３）中赤外から近赤外の特定波長の電磁波を放出できるパネルヒーター。
（４）紫外‐中赤外の特定の波長の電磁波を輻射する無偏光タイプの狭帯域光源。
（５）紫外‐中赤外の特定の波長の電磁波を吸収する無偏光タイプの検出器。
（６）上記（４）を光源とし（５）を検出器とする、或いはその一方を用いるリモコン装置。
（７）表面増強赤外吸収や表面増強ラマン散乱などの高感度分光の為の下地。
（８）高価なＬＥＤやレーザーの代わりとして使用する安価な赤外光源。
（９）小型赤外カメラのための広角な赤外光源。
（１０）特定の分子の振動や吸収波長に合わせて輻射波長が設計された近赤外および中赤外輻射光源。
（１１）上記（２）の波長選択赤外検出素子と（１０）の赤外光源とを組み合わせた装置。光源と波長選択赤外検出素子との間に、計測する対象物を配置し、その対象物の状態や特定の物質の有無を計測する装置。
（１２）対象物の特性に合わせた波長の赤外線を輻射することで効率よく加熱を行う赤外線源。
１０ 下地
１２ 第一金属層（第一導電体層）
１２ａ 導電体面
１４ 第一誘電体層
１６ 第二金属ディスク層
１６ａ 導電体ディスク
２６ 第二金属層（孔付き導電体層）
２６ａ 孔
Ｂ ポリスチレン球
１２ 第一金属層（第一導電体層）
１２ａ 導電体面
１４ 第一誘電体層
１６ 第二金属ディスク層
１６ａ 導電体ディスク
２６ 第二金属層（孔付き導電体層）
２６ａ 孔
Ｂ ポリスチレン球
Claims (13)
- 一様な連続面である導電体表面から積層方向に離間して複数の導電体ディスクを配列した、積層構造を有し、
前記複数の導電体ディスクは円形であり、
前記導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一は高耐熱材料であり、
前記高耐熱材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｅ、ＭｏＳｉ ２ 、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ ６ 及びＡｌＢ ２ からなる群から選択される材料で構成される、電磁波輻射材料。 - 一様な連続面である導電体表面から積層方向に離間して複数の導電体ディスクを配列した、積層構造を有し、
前記複数の導電体ディスクは円形であり、
前記導電体ディスク及び前記導電体表面の少なくとも一は軽金属である、電磁波輻射材料。 - 前記導電体ディスクは前記導電体表面に設けられた誘電体層の表面に配列される、請求項１又は２に記載の積層構造を有する電磁波輻射材料。
- 前記導電体表面は導電体箔または下地の上に形成された導電体膜である導電体層の表面である、請求項１から３の何れかに記載の積層構造を有する電磁波輻射材料。
- 前記複数の導電体ディスクは互いに同じサイズである、請求項１から４の何れかに記載の積層構造を有する電磁波輻射材料。
- 一様な連続面である第一の導電体表面に誘電体層を形成し、
前記誘電体層の上に第二の導電体の層を形成し、
前記第二の導電体の層の表面に複数の球を単層配列し、
前記複数の球をマスクとして前記第二の導電体の層をエッチングして、前記複数の球直下の前記第二の導電体の層を複数の導電体ディスクとして残し、
前記複数の球を除去する
ステップを有し、
前記導電体ディスク及び前記第一の導電体表面の少なくとも一つは高耐熱材料であり、
前記高耐熱材料は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｅ、ＭｏＳｉ ２ 、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＬａＢ ６ 及びＡｌＢ ２ からなる群から選択される材料で構成される、積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。 - 一様な連続面である第一の導電体表面に誘電体層を形成し、
前記誘電体層の上に第二の導電体の層を形成し、
前記第二の導電体の層の表面に複数の球を単層配列し、
前記複数の球をマスクとして前記第二の導電体の層をエッチングして、前記複数の球直下の前記第二の導電体の層を複数の導電体ディスクとして残し、
前記複数の球を除去する
ステップを有し、
前記導電体ディスク及び前記第一の導電体表面の少なくとも一つは軽金属からなる、積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。 - 前記第二の導電体の層のエッチングに先立って、前記複数の球のサイズを一様に縮小するステップを含む、請求項６又は７に記載の積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。
- 前記複数の球のサイズの一様な縮小は反応性エッチングによって行う、請求項８に記載の積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。
- 前記第二の導電体の層の表面への複数の球の単層配列は、液体表面に複数の球を浮かせ、これを前記第二の導電体の層の表面に転写することによって行う、請求項６から９の何れかに記載の積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。
- 前記複数の球はポリスチレン球である、請求項６から１０の何れかに記載の積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。
- 前記複数の球は互いに同じサイズである、請求項６から１１の何れかに記載の積層構造を有する電磁波輻射材料の製造方法。
- 請求項１から５の何れかに記載の積層構造を有する電磁波輻射材料を使用した赤外線源。
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