JP6954152B2 - Analytical substrate - Google Patents

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Description

本発明は、分析用基板に関する。 The present invention relates to an analytical substrate.

従来、ラマン分光法は、ラマン散乱光の強度が非常に弱いことが問題とされていた。その改善のために表面増強ラマン散乱(Surface Enhanced Raman Scattering:SERS)を利用することが検討されている。SERSは、Au、Ag等の金属表面において、表面プラズモン共鳴による電場増強で、吸着した測定対象分子のラマン散乱光の強度が著しく増強される現象である。ラマン分光法以外の赤外吸収分光法や蛍光分光法における光学的分析法においても表面プラズモン共鳴による電場増強を利用することが検討されている。 Conventionally, Raman spectroscopy has been problematic in that the intensity of Raman scattered light is very weak. It is being considered to use Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) for the improvement. SERS is a phenomenon in which the intensity of Raman scattered light of the adsorbed molecule to be measured is remarkably enhanced by enhancing the electric field by surface plasmon resonance on the surface of a metal such as Au or Ag. The use of electric field enhancement by surface plasmon resonance is also being studied in infrared absorption spectroscopy and optical analysis methods in fluorescence spectroscopy other than Raman spectroscopy.

表面プラズモン共鳴による電場増強を利用する分析用基板として、例えば以下のものが提案されている。
(1)複数のくぼみ又は複数の突起が予め定められた特定の格子間隔で格子状に配置されて、表面プラズモン共鳴を生ずるナノ周期構造を有する基板と、前記ナノ周期構造の表面に形成された金属皮膜とを備えるラマン分光分析用信号増幅装置(特許文献1)。
(2)金属層と、前記金属層上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子とを含む電場増強素子であって、複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは電磁的に相互作用し、各表面プラズモンの共鳴波長は異なり、前記電場増強素子に白色光を照射したときの反射光のスペクトルにおいて第1吸収領域、第2吸収領域の半値幅が特定の関係を満たし、前記電場増強素子の励起光の波長が前記第2吸収領域の範囲に含まれる電場増強素子(特許文献2)。
The following are proposed as analytical substrates that utilize the electric field enhancement by surface plasmon resonance, for example.
(1) A plurality of dents or a plurality of protrusions are arranged in a grid pattern at predetermined specific lattice intervals to form a substrate having a nano-periodic structure that causes surface plasmon resonance and a surface of the nano-periodic structure. A signal amplification device for Raman spectroscopic analysis including a metal film (Patent Document 1).
(2) An electric field enhancing element including a metal layer, a dielectric layer provided on the metal layer, and a plurality of metal particles provided on the dielectric layer, wherein the plurality of metal particles are The propagating surface plasmon having a periodic arrangement capable of exciting the propagating surface plasmon propagating at the interface between the metal layer and the dielectric layer, and the localized surface plasmon excited by the metal particles are electromagnetic. The resonance wavelengths of each surface plasmon are different, and the half-value widths of the first absorption region and the second absorption region satisfy a specific relationship in the spectrum of reflected light when the electric field enhancer is irradiated with white light. , An electric field enhancing element in which the wavelength of the excitation light of the electric field enhancing element is included in the range of the second absorption region (Patent Document 2).

特開2015−232526号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-232526 特開2015−212626号公報JP-A-2015-212626

しかし、(1)〜(2)の分析用基板は、感度が充分ではない場合がある。
特許文献1の装置については、伝搬型表面プラズモンを利用しているので、ナノ周期構造上の電場分布のばらつきが少ないという長所はあるが、電場増強が伝搬型表面プラズモンのみに拠るため、増強効果が低いという短所がある。
一方、特許文献2の電場増強素子については、伝搬型表面プラズモンと局在型表面プラズモンを組み合わせ、電場分布の均一化を伝搬型表面プラズモンで行い、電場強度を高めることを局在型表面プラズモンで行うことで、伝搬型と局在型の長所を掛け合わせる構成であり、均一性と強度の両立がある程度可能となっている。しかし、金属層と金属粒子の間に誘電体層が存在することから、検体の測定対象分子は伝搬型表面プラズモンの電場増強効果の最も高い金属膜表面に接近することができないという短所がある。また、伝播型表面プラズモンを励起するために必要な配置で金属粒子が配置されるため、局在型表面プラズモンとして効果の大きな金属粒子間の間隙を利用した電場増強を利用するには粒子間距離が大きすぎるのも短所として挙げられる。
However, the analytical substrates of (1) and (2) may not have sufficient sensitivity.
Since the apparatus of Patent Document 1 uses a propagation type surface plasmon, it has an advantage that the variation in the electric field distribution on the nanoperiodic structure is small, but since the electric field enhancement depends only on the propagation type surface plasmon, the enhancement effect. Has the disadvantage of being low.
On the other hand, regarding the electric field enhancing element of Patent Document 2, the propagation type surface plasmon and the localized surface plasmon are combined, the electric field distribution is made uniform by the propagation type surface plasmon, and the electric field strength is enhanced by the localized surface plasmon. By doing so, it is a configuration that combines the advantages of the propagation type and the localized type, and it is possible to achieve both uniformity and strength to some extent. However, since the dielectric layer exists between the metal layer and the metal particles, the molecule to be measured in the sample cannot approach the surface of the metal film having the highest electric field enhancing effect of the propagating surface plasmon. In addition, since the metal particles are arranged in the arrangement required to excite the propagation type surface plasmon, the interparticle distance is required to utilize the electric field enhancement utilizing the gap between the metal particles, which is highly effective as a localized surface plasmon. Is too big, which is also a disadvantage.

本発明は、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析を高感度に実施できる分析用基板を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an analytical substrate capable of performing optical analysis utilizing electric field enhancement by surface plasmon resonance with high sensitivity.

本発明は、以下の態様を有する。
〔1〕少なくとも第一面が誘電体または半導体からなり、前記第一面に、複数の凹部または凸部が周期的に二次元に配列した二次元格子構造を有する基板と、
前記基板の第一面上に設けられた、25℃における表面のシート抵抗が5000Ω/□以下である金属膜と、
前記金属膜上に分散配置された、平均一次粒子径が5〜100nmである複数の金属ナノ粒子と、
を備える、分析用基板。
〔2〕前記二次元格子構造が、三角格子構造または正方格子構造である、〔1〕の分析用基板。
〔3〕前記金属膜が、前記金属膜内に長軸方向の長さが1μm以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず前記基板の第一面が露出している複数の非成膜領域を有する、〔1〕または〔2〕の分析用基板。
The present invention has the following aspects.
[1] A substrate having a two-dimensional lattice structure in which at least the first surface is made of a dielectric or a semiconductor and a plurality of concave portions or convex portions are periodically arranged two-dimensionally on the first surface.
A metal film provided on the first surface of the substrate and having a surface sheet resistance of 5000 Ω / □ or less at 25 ° C.
A plurality of metal nanoparticles having an average primary particle size of 5 to 100 nm dispersed and arranged on the metal film, and
A substrate for analysis.
[2] The analysis substrate of [1], wherein the two-dimensional lattice structure is a triangular lattice structure or a cubic lattice structure.
[3] A plurality of the metal film provided in the metal film as an island-shaped gap having a length in the major axis direction of 1 μm or less, in which no metal is present and the first surface of the substrate is exposed. The analytical substrate of [1] or [2], which has a non-deposited region of.

本発明によれば、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析を高感度に実施できる分析用基板を提供できる。
特に、特許文献2との明確な差異は、本発明においては検体の測定対象分子が伝搬型表面プラズモンの電場増強効果の最も高い金属膜表面に接近することができる点にある。この差異のため本発明は、従来技術よりもラマン散乱光の増強効果に優れる。
According to the present invention, it is possible to provide an analytical substrate capable of performing optical analysis utilizing electric field enhancement by surface plasmon resonance with high sensitivity.
In particular, a clear difference from Patent Document 2 is that in the present invention, the molecule to be measured of the sample can approach the surface of the metal film having the highest electric field enhancing effect of the propagating surface plasmon. Due to this difference, the present invention is superior to the prior art in the effect of enhancing Raman scattered light.

本発明の一実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the analytical substrate of one Embodiment of this invention. 図1に示す実施形態の一例に係る分析用基板を模式的に示す上面図である(ただし金属ナノ粒子の図示は省略した。)。It is a top view which shows typically the analytical substrate which concerns on an example of Embodiment shown in FIG. 1 (however, the illustration of metal nanoparticles was omitted). 図2に示す分析用基板の斜視図である。It is a perspective view of the analysis substrate shown in FIG. 図1に示す実施形態の一例に係る分析用基板の金属膜側の表面を模式的に示す拡大上面図である(ただし金属ナノ粒子の図示は省略した。)。It is an enlarged top view which shows typically the surface on the metal film side of the analysis substrate which concerns on an example of embodiment shown in FIG. 1 (however, the illustration of metal nanoparticles was omitted). 図4におけるIV−IV断面を模式的に示す部分断面図である(ただし金属ナノ粒子の図示は省略した。)。It is a partial cross-sectional view schematically showing the IV-IV cross section in FIG. 4 (however, the illustration of metal nanoparticles is omitted). 実施例1で得られた分析用基板の走査型電子顕微鏡像である。It is a scanning electron microscope image of the analysis substrate obtained in Example 1. 実施例2で得られた分析用基板の走査型電子顕微鏡像である。It is a scanning electron microscope image of the analysis substrate obtained in Example 2.

以下、本発明の分析用基板について、添付の図面を参照し、実施形態を示して説明する。
図1は、本発明の第一実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。図2は、本実施形態の一例に係る分析用基板を模式的に示す上面図である。図3は、図2に示す分析用基板の斜視図である。ただし、図2〜3においては、金属ナノ粒子の図示は省略した。
本実施形態の分析用基板10は、基板1と、基板1の第一面1a上に設けられた金属膜3と、金属膜3上に分散配置された複数の金属ナノ粒子5とを備える。
基板1の第一面1aは二次元格子構造を有する。金属膜3は第一面1aに沿って形成されている。このため、第一面1a上に設けられた金属膜3の表面も二次元格子構造を有するものとなっている。
金属膜3と複数の金属ナノ粒子5とは接している。
Hereinafter, the analytical substrate of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings with reference to embodiments.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an analytical substrate according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view schematically showing an analysis substrate according to an example of the present embodiment. FIG. 3 is a perspective view of the analysis substrate shown in FIG. However, in FIGS. 2 to 3, the illustration of metal nanoparticles is omitted.
The analytical substrate 10 of the present embodiment includes a substrate 1, a metal film 3 provided on the first surface 1a of the substrate 1, and a plurality of metal nanoparticles 5 dispersed and arranged on the metal film 3.
The first surface 1a of the substrate 1 has a two-dimensional lattice structure. The metal film 3 is formed along the first surface 1a. Therefore, the surface of the metal film 3 provided on the first surface 1a also has a two-dimensional lattice structure.
The metal film 3 and the plurality of metal nanoparticles 5 are in contact with each other.

(基板)
基板1は、少なくとも第一面1aが誘電体または半導体からなる。
基板1としては、例えば、誘電体または半導体からなる基板であってもよく、第一面が誘電体または半導体となるように導電体層、誘電体層、半導体層のうち2層以上が積層された多層基板であってもよい。誘電体または半導体としては特に限定されず、分析用基板等の用途において公知の材質であってよい。
基板1としては、典型的には、誘電体または半導体のみからなる基板が用いられ、例えば石英基板、アルカリガラスや無アルカリガラス等の各種ガラス基板、サファイア基板、シリコン(Si)基板、シリコンカーバイド(SiC)等の無機物質からなる基板、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂等の有機物質からなる基板等が挙げられる。
基板1の厚さは、特に限定されず、例えば0.1〜5.0mmであってよい。
基板1の厚さは、JIS B7507に制定されている一般的なノギスによる測長方法により測定される。
(substrate)
At least the first surface 1a of the substrate 1 is made of a dielectric or a semiconductor.
The substrate 1 may be, for example, a substrate made of a dielectric or a semiconductor, and two or more layers of a conductor layer, a dielectric layer, and a semiconductor layer are laminated so that the first surface is a dielectric or a semiconductor. It may be a multilayer board. The dielectric or semiconductor is not particularly limited, and may be a material known in applications such as an analytical substrate.
As the substrate 1, a substrate made of only a dielectric or a semiconductor is typically used, and for example, a quartz substrate, various glass substrates such as alkaline glass and non-alkali glass, a sapphire substrate, a silicon (Si) substrate, and a silicon carbide ( Examples thereof include a substrate made of an inorganic substance such as SiC), a substrate made of an organic substance such as polymethylmethacrylate, polycarbonate, polystyrene, a polyolefin resin, and a polyester resin.
The thickness of the substrate 1 is not particularly limited and may be, for example, 0.1 to 5.0 mm.
The thickness of the substrate 1 is measured by a general caliper length measuring method defined in JIS B7507.

第一面1aの二次元格子構造は、金属膜3の表面に二次元格子構造を設けるためのものであり、金属膜3の表面の所望の二次元格子構造に応じて設定される。 The two-dimensional lattice structure of the first surface 1a is for providing a two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3, and is set according to a desired two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3.

(金属膜)
金属膜3を構成する金属としては、表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得るものであればよく、例えば金、銀、アルミニウム、銅、白金、これらの2種以上の合金等が挙げられる。
(Metal film)
The metal constituting the metal film 3 may be any metal that can generate an electric field enhancement due to surface plasmon resonance, and examples thereof include gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys of two or more of these.

金属膜3の表面のシート抵抗は、5000Ω/□以下であり、3〜5000Ω/□が好ましく、3〜500Ω/□がより好ましく、3〜300Ω/□が最も好ましい。金属膜3の表面のシート抵抗が前記上限値以下であることは、金属膜3が連続膜であることを示す。金属膜3の表面のシート抵抗がこの範囲内にある場合、金属膜3は、後述する非成膜領域Gによるナノギャップを持っていても、完全には分断されていない。また、金属膜3が非成膜領域Gを有する場合、金属膜3の表面のシート抵抗が前記上限値以下であることは、非成膜領域Gを介して対向する金属表面3a間の距離が、1〜20nmの範囲に、より限定的には1〜10nmの範囲に、さらに限定的には1〜5nmの範囲に入ることを意味する。金属膜3が不連続な膜(例えば島状に分散配置された複数の金属膜から構成されるもの)である場合、表面のシート抵抗は5000Ω/□以下とはならない。金属膜3が部分的に非成膜領域Gを有していたとしても全体としては連続膜であることで、後述する伝播型表面プラズモンを金属膜3が誘起することが可能となり、表面電場の重ね合わせによる非線形光学効果を得やすくなる。
金属膜3の表面のシート抵抗(Ω/□)は、25℃における値である。具体的には、25℃の条件下で金属膜3の表面の任意の大きさの正方形の領域を電流が片方の端から対向する端へ流れる際の電気抵抗値(Ω)がシート抵抗である。詳しくは後述する実施例に示すとおりである。
The sheet resistance of the surface of the metal film 3 is 5000 Ω / □ or less, preferably 3 to 5000 Ω / □, more preferably 3 to 500 Ω / □, and most preferably 3 to 300 Ω / □. When the sheet resistance on the surface of the metal film 3 is not more than the upper limit value, it indicates that the metal film 3 is a continuous film. When the sheet resistance on the surface of the metal film 3 is within this range, the metal film 3 is not completely divided even if it has a nanogap due to the non-deposition region G described later. Further, when the metal film 3 has the non-deposited region G, the sheet resistance of the surface of the metal film 3 is not more than the upper limit value, that is, the distance between the metal surfaces 3a facing each other via the non-deposited region G is large. This means that it falls within the range of 1 to 20 nm, more specifically in the range of 1 to 10 nm, and more specifically in the range of 1 to 5 nm. When the metal film 3 is a discontinuous film (for example, one composed of a plurality of metal films dispersed in an island shape), the sheet resistance of the surface is not 5000 Ω / □ or less. Even if the metal film 3 partially has a non-deposited region G, since it is a continuous film as a whole, the metal film 3 can induce the propagation type surface plasmon described later, and the surface electric field It becomes easy to obtain the nonlinear optical effect by superimposition.
The sheet resistance (Ω / □) on the surface of the metal film 3 is a value at 25 ° C. Specifically, the sheet resistance is the electric resistance value (Ω) when a current flows from one end to the opposite end in a square region of an arbitrary size on the surface of the metal film 3 under the condition of 25 ° C. .. Details are as shown in Examples described later.

金属膜3は、基板1の第一面1aに追従する二次元格子構造を有する。
ここで「追従する」とは、金属膜3表面の二次元格子構造における凸部又は凹部の位置が、基板1の第一面1aの二次元格子構造における凸部又は凹部の位置と略一致することを示す。
The metal film 3 has a two-dimensional lattice structure that follows the first surface 1a of the substrate 1.
Here, "following" means that the position of the convex portion or the concave portion in the two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3 substantially coincides with the position of the convex portion or the concave portion in the two-dimensional lattice structure of the first surface 1a of the substrate 1. Show that.

連続膜である金属膜3の表面が二次元格子構造を有することで、金属膜3の表面で伝播型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させることができる。
ここで、「二次元格子構造」とは、複数の凸部又は凹部が周期的に二次元に配列した周期的凹凸構造である。二次元に配列とは、複数の凸部又は凹部配列方向が2方向以上であることを示す。
なお、複数の凸部又は凹部が周期的に一次元に配列した周期的凹凸構造を一次元格子構造ともいう。一次元に配列とは、複数の凸部又は凹部の配列方向が1方向であることを示す。
金属表面の伝播型表面プラズモンは、金属表面に入射した光(ラマン分光法で用いられるレーザー等の励起光)により生じる自由電子の疎密波が表面電磁場を伴うものである。金属表面が平坦である場合、金属表面に存在する表面プラズモンの分散曲線と光の分散直線とは交差しないため、伝播型表面プラズモン共鳴は誘発されない。金属表面に周期的凹凸構造があると、この周期的凹凸構造によって回折された光(回折光)の分散直線が表面プラズモンの分散曲線と交差するようになり、伝播型表面プラズモン共鳴が誘発される。
周期的凹凸構造における複数の凸部又は凹部の配列方向が多い方が、回折光が得られる条件が多く、高効率で伝播型表面プラズモン共鳴を誘発できる。周期的凹凸構造として二次元格子構造を有することで、周期的凹凸構造が一次元格子構造(例えば複数の溝(凹部)又は凸条(凸部)が平行に配置されたラインアンドスペース構造)である場合に比べて、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析をより高感度に実施できる。
Since the surface of the metal film 3 which is a continuous film has a two-dimensional lattice structure, it is possible to generate an electric field enhancement by propagating surface plasmon resonance on the surface of the metal film 3.
Here, the "two-dimensional lattice structure" is a periodic uneven structure in which a plurality of convex portions or concave portions are periodically arranged two-dimensionally. The two-dimensional arrangement means that a plurality of convex or concave arrangement directions are two or more directions.
A periodic uneven structure in which a plurality of convex portions or concave portions are periodically arranged one-dimensionally is also referred to as a one-dimensional lattice structure. The one-dimensional arrangement means that the arrangement direction of the plurality of convex portions or concave portions is one direction.
In the propagation type surface plasmon on a metal surface, a sparse and dense wave of free electrons generated by light incident on the metal surface (excitation light such as a laser used in Raman spectroscopy) is accompanied by a surface electromagnetic field. When the metal surface is flat, the propagating surface plasmon resonance is not induced because the dispersion curve of the surface plasmon existing on the metal surface and the dispersion straight line of light do not intersect. When the metal surface has a periodic uneven structure, the dispersion straight line of the light (diffracted light) diffracted by this periodic uneven structure intersects the dispersion curve of the surface plasmon, and the propagation type surface plasmon resonance is induced. ..
When there are many arrangement directions of the plurality of convex portions or concave portions in the periodic concave-convex structure, there are many conditions for obtaining diffracted light, and propagation-type surface plasmon resonance can be induced with high efficiency. By having a two-dimensional lattice structure as the periodic uneven structure, the periodic uneven structure is a one-dimensional lattice structure (for example, a line-and-space structure in which a plurality of grooves (recesses) or protrusions (convex) are arranged in parallel). Compared to some cases, optical analysis using electric field enhancement by surface plasmon resonance can be performed with higher sensitivity.

好ましい二次元格子構造としては、配列方向が2方向で、その交差角度が90°である正方格子構造、配列方向が3方向で、その交差角度が60°である三角格子(六方格子ともいう。)構造等が挙げられる。二次元格子構造を構成する凸部の形状は、例えば円柱形状、円錐形状、円錐台形状、正弦波形状、半球体形状、略半球体形状、楕円体形状、或いはそれらを基本とした派生形状等であってよい。二次元格子構造を構成する凹部の形状は、例えば前記で挙げた凸部の形状が反転した形状であってよい。
二次元格子構造としては、より高効率で伝播型表面プラズモン共鳴を誘発できることから、三角格子構造が好ましい。
Preferred two-dimensional lattice structures are a cubic lattice structure having two arrangement directions and an intersection angle of 90 °, and a triangular lattice structure having three arrangement directions and an intersection angle of 60 ° (also referred to as a hexagonal lattice). ) Structure etc. The shape of the convex portion constituting the two-dimensional lattice structure is, for example, a cylindrical shape, a conical shape, a truncated cone shape, a sinusoidal shape, a hemispherical shape, a substantially hemispherical shape, an ellipsoidal shape, or a derivative shape based on them. It may be. The shape of the concave portion constituting the two-dimensional lattice structure may be, for example, an inverted shape of the convex portion mentioned above.
As the two-dimensional lattice structure, a triangular lattice structure is preferable because it can induce propagation-type surface plasmon resonance with higher efficiency.

本実施形態の一例に係る金属膜3表面の二次元格子構造は、図2〜3に示すように、複数の円錐台形状の凸部3cから構成された三角格子構造である。
凸部3cの高さは、15〜150nmが好ましく、30〜80nmがより好ましい。凸部3cの高さが前記範囲の下限値以上であれば、金属膜3表面の二次元格子構造が回折格子として充分に機能し、伝播型表面プラズモン共鳴を誘発することができる。凸部3cの高さが前記範囲の上限値以下であれば、金属膜3が連続膜となりやすい。
凸部3cが他の形状である場合にも、好ましい高さはおおよそ同様である。金属膜3表面の二次元格子構造が複数の凹部から構成される場合、この凹部の好ましい深さは、凸部3cの好ましい高さとおおよそ同様である。正確には、凸部3cの高さの最適値は、表面プラズモンによる電磁場と相互作用する凸部3cの体積分率や誘電率によって決定される。
As shown in FIGS. 2 to 3, the two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3 according to an example of the present embodiment is a triangular lattice structure composed of a plurality of truncated cone-shaped convex portions 3c.
The height of the convex portion 3c is preferably 15 to 150 nm, more preferably 30 to 80 nm. When the height of the convex portion 3c is equal to or higher than the lower limit of the above range, the two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3 sufficiently functions as a diffraction grating, and propagation-type surface plasmon resonance can be induced. When the height of the convex portion 3c is equal to or less than the upper limit of the above range, the metal film 3 tends to be a continuous film.
When the convex portion 3c has another shape, the preferable height is approximately the same. When the two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3 is composed of a plurality of concave portions, the preferable depth of the concave portions is approximately the same as the preferable height of the convex portion 3c. To be precise, the optimum height of the convex portion 3c is determined by the volume fraction and the dielectric constant of the convex portion 3c that interacts with the electromagnetic field due to the surface plasmon.

凸部3cの高さは、隣接する3つの凸部から等距離にある中心点を起点として3つの凸部の円錐台の頂面の平均値までの垂直方向の距離をAFM(原子間力顕微鏡)等によって測長して求める。測長には、互いに100μm以上離れた5箇所の二次元格子構造表面を用いる。これら5箇所の測定領域に関して5μm×5μmのAFM像を取得し、それぞれのAFM像に関して無作為に抽出した9箇所の上記3点中心深さを測長する。AFM探針はスキャン方向によって像に異方性が生じる場合があるため、測長は、図2に示すように、DM1〜DM3の3方向にプロファイル像を作成し、それぞれの方向にて3箇所、合計9箇所の測長点にて行う。その9箇所の測長点で得られた測定値の平均値を1つの測定領域の測定値とし、同様に5つの測定領域の測定値を求め、さらにこの5つの測定領域の測定値の平均を求め、凸部3cの高さとする。
M1〜DM3はそれぞれ、金属膜3の主面において、凸部3cの3つの配列方向EM1〜EM3それぞれと略直交する方向である(実際の格子配列は多少歪みもあるため、必ず直交するとは限らない)。
他の形状の凸部の高さや凹部の深さも同様の測定方法によって測定される。
The height of the convex portion 3c is the vertical distance from the center point equidistant from the three adjacent convex portions to the average value of the top surfaces of the truncated cones of the three convex portions as AFM (atomic force microscope). ) Etc. to measure the length. For the length measurement, five two-dimensional lattice structure surfaces separated from each other by 100 μm or more are used. An AFM image of 5 μm × 5 μm is acquired for each of these five measurement regions, and the center depths of the nine points randomly selected for each AFM image are measured. Since the image of the AFM probe may be anisotropy depending on the scanning direction, the length measurement creates profile images in the three directions D M1 to D M3 as shown in FIG. 2, and in each direction. Perform at 3 points, 9 points in total. The average value of the measured values obtained at the nine measurement points is used as the measured value in one measurement area, the measured values in the five measurement areas are obtained in the same manner, and the average of the measured values in the five measurement areas is further calculated. Obtained and set the height of the convex portion 3c.
Each of D M1 to D M3 is a direction substantially orthogonal to each of the three arrangement directions E M1 to E M3 of the convex portion 3c on the main surface of the metal film 3 (because the actual lattice arrangement has some distortion, be sure to be sure. Not always orthogonal).
The height of the convex portion and the depth of the concave portion of other shapes are also measured by the same measuring method.

凸部3cの配列方向における凸部3cのピッチΛは、入射光(励起光)の波長λに対応して設計される。入射光の波数をk(k=2π/λ)、kにおける金属の比誘電率の実数部をε、検体の比誘電率の実数部をε、とすると、表面プラズモンの波数ksppは、下式1:
spp=k((ε×ε)/(ε+ε))0.5 (式1)
で略式的に得られる。表面プラズモンの波長λsppはksppの逆数であり、凸部3cは三角格子配列であるから、凸部3cのピッチΛは、下式2:
Λ=(2/√3)×λspp (式2)
により求まる。式1および式2は一般的なものである。
上記の計算法によれば、例えば入射光の波長λ=785nm、凸部3cを構成する金属が金(Au)、検体が水溶液(ε≒1.33)であるとき、
spp=11.8μm−1、Λ=655nm
となる。同様に、例えば入射光の波長λ=633nm、凸部3cを構成する金属が金(Au)、検体が有機物乾燥体(ε≒2.25)であるとき、
spp=16.6μm−1、Λ=438nm
である。入射光にレーザーを使用するとその波長分布は極めて狭いので、実質的に凸部3cは上記ピッチΛにできるだけ近く作製すればよい。また、2次元格子配列が正方格子の場合、或いは1次元格子配列(ライン&スペース)の場合は、式2の代わりに下式3を用いればよい。
Λ=λspp (式3)
入射光として用いるレーザー光源は、785、633、532、515、488、470nm等、様々な波長に対応するものがある。一般に、海島構造、金属ナノ粒子、周期的凹凸構造を構成する金属種として、おおよそ500nm台の波長より大きい光源には金(Au)を用いるのが好ましく、おおよそ500nm台の波長より小さい光源には銀(Ag)を用いるのが好ましいが、金(Au)、銀(Ag)以外の金属種でも表面増強ラマン散乱効果を得られる場合があり、必ずしも上記の限りではない。
凸部3cが他の形状である場合にも、好ましいピッチは同様である。金属膜3表面の二次元格子構造が複数の凹部から構成される場合、凹部の配列方向における凹部の好ましいピッチは、凸部3cの好ましいピッチと同様である。
The pitch Λ of the convex portions 3c in the arrangement direction of the convex portions 3c is designed corresponding to the wavelength λ i of the incident light (excitation light). The wave number of the incident light k i (k i = 2π / λ i), the real part epsilon 1 of the dielectric constant of the metal in the k i, 2 the real part of the dielectric constant of the analyte epsilon, and when, the surface plasmon The wave number k spp is calculated by the following equation 1:
k spp = k i ((ε 1 × ε 2) / (ε 1 + ε 2)) 0.5 ( Equation 1)
Can be obtained informally with. Since the wavelength λ spp of the surface plasmon is the reciprocal of k spp and the convex portions 3c are in a triangular lattice arrangement, the pitch Λ of the convex portions 3c is calculated by the following equation 2:
Λ = (2 / √3) × λ spp (Equation 2)
Obtained by. Equations 1 and 2 are general.
According to the above calculation method, for example, when the wavelength of the incident light is λ i = 785 nm, the metal constituting the convex portion 3c is gold (Au), and the sample is an aqueous solution (ε 2 ≈ 1.33).
k spp = 11.8 μm -1 , Λ = 655 nm
Will be. Similarly, for example, when the wavelength of the incident light is λ i = 633 nm, the metal constituting the convex portion 3c is gold (Au), and the sample is a dried organic substance (ε 2 ≈ 2.25).
k spp = 16.6 μm -1 , Λ = 438 nm
Is. When a laser is used for the incident light, its wavelength distribution is extremely narrow, so that the convex portion 3c may be substantially made as close as possible to the pitch Λ. When the two-dimensional lattice array is a square lattice or the one-dimensional lattice array (line & space), the following equation 3 may be used instead of the equation 2.
Λ = λ spp (Equation 3)
Laser light sources used as incident light include those corresponding to various wavelengths such as 785, 633, 532, 515, 488, and 470 nm. In general, it is preferable to use gold (Au) for a light source having a wavelength larger than about 500 nm as a metal species constituting a sea-island structure, metal nanoparticles, and a periodic uneven structure, and for a light source having a wavelength smaller than about 500 nm. It is preferable to use silver (Ag), but the surface-enhancing Raman scattering effect may be obtained even with a metal species other than gold (Au) and silver (Ag), and the above is not always the case.
The preferred pitch is the same when the convex portion 3c has another shape. When the two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3 is composed of a plurality of recesses, the preferred pitch of the recesses in the arrangement direction of the recesses is the same as the preferred pitch of the convex portions 3c.

凸部3cのピッチは、隣接する2つの円錐台突起の各中心点の水平方向の距離をAFM(原子間力顕微鏡)等によって測長して求める。測長には、互いに100μm以上離れた5箇所の二次元格子構造表面を用いる。これら5箇所の測定領域に関して5μm×5μmのAFM像を取得し、それぞれのAFM像に関して無作為に抽出した9箇所の上記2点間距離を測長する。AFM探針はスキャン方向によって像に異方性が生じる場合があるため、測長は図2に示すように、EM1〜EM3の3方向にプロファイル像を作成し、それぞれの方向にて3箇所、合計9箇所の測長点にて行う。その9箇所の測長点で得られた測定値の平均値を1箇所の測定領域の測定値とし、さらに5箇所の測定領域の測定値の平均を求め、凸部3cのピッチとする。
他の形状の凸部のピッチや凹部のピッチも同様の測定方法によって測定される。
The pitch of the convex portion 3c is obtained by measuring the horizontal distance between the center points of the two adjacent cone protrusions with an AFM (atomic force microscope) or the like. For the length measurement, five two-dimensional lattice structure surfaces separated from each other by 100 μm or more are used. An AFM image of 5 μm × 5 μm is acquired for each of these five measurement regions, and the distance between the two points at nine randomly selected points is measured for each AFM image. Since AFM tip is that may anisotropy occurs in the image by the scan direction, length measurement, as shown in FIG. 2, to create a profile image in the three directions E M1 to E M3, in each direction 3 Perform at 9 measurement points in total. The average value of the measured values obtained at the nine measurement points is used as the measured value in one measurement area, and the average of the measured values in the five measurement areas is obtained and used as the pitch of the convex portion 3c.
The pitch of the convex portion and the pitch of the concave portion of other shapes are also measured by the same measuring method.

金属膜3の好ましい態様として、以下の態様Aまたは態様Bが挙げられる。
態様A:金属膜内に長軸方向の長さが1μm以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず基板1の第一面1aが露出している複数の非成膜領域を有する金属膜。
態様B:前記非成膜領域を有しない金属膜。
Preferred embodiments of the metal film 3 include the following aspects A or B.
Aspect A: A plurality of non-deposited regions provided in the metal film as an island-shaped gap having a length of 1 μm or less in the major axis direction, in which no metal is present and the first surface 1a of the substrate 1 is exposed. A metal film having.
Aspect B: A metal film that does not have the non-deposited region.

金属膜3が態様Aの金属膜(以下、金属膜3Aともいう。)であれば、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンによる増強電場それぞれの併用、もしくは伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンによる増強電場の共鳴結合(カップリング)を利用することで、光学的分析をより高感度に実施できる。一方、金属膜3が態様Bの金属膜(以下、金属膜3Bともいう。)であれば、伝播型表面プラズモンによる増強電場を利用することで、光学的分析をより高感度に実施できる。 If the metal film 3 is the metal film of aspect A (hereinafter, also referred to as metal film 3A), the combined use of the enhanced electric field by the propagating surface plasmon and the localized surface plasmon, or the propagating surface plasmon and the localized surface. By utilizing the resonance coupling (coupling) of the enhanced electric field by the plasmon, the optical analysis can be performed with higher sensitivity. On the other hand, if the metal film 3 is the metal film of aspect B (hereinafter, also referred to as metal film 3B), the optical analysis can be performed with higher sensitivity by using the enhanced electric field by the propagation type surface plasmon.

金属膜3Aについて、図4〜5を参照してより詳細に説明する。図4は、金属膜3が金属膜3Aである場合の分析用基板10の金属膜3側の表面を模式的に示す拡大上面図であり、図5は、この分析用基板の図4におけるIV−IV断面を模式的に示す部分断面図である。ただし、図4〜5においては、金属ナノ粒子の図示は省略した。
金属膜3Aは、複数の非成膜領域Gを有する。複数の非成膜領域Gは、金属膜3A内に長軸方向の長さが1μm以下の島状の隙間形状として分散して設けられている。金属膜3の非成膜領域G以外の領域は成膜領域である。
非成膜領域Gは、金属が存在せず、第一面1aが露出している領域である。つまり金属膜3Aを厚さ方向に貫通している空隙(ギャップ)である。金属が厚さ方向の一部において存在していなくても金属膜3Aを貫通している空隙とはなっていない領域(例えば図5中の領域S)は、非成膜領域Gには該当しない成膜領域である。
The metal film 3A will be described in more detail with reference to FIGS. 4 to 5. FIG. 4 is an enlarged top view schematically showing the surface of the analysis substrate 10 on the metal film 3 side when the metal film 3 is the metal film 3A, and FIG. 5 is an enlarged top view schematically showing the surface of the analysis substrate 10 on the metal film 3 side. FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional view schematically showing a −IV cross section. However, in FIGS. 4 to 5, the illustration of metal nanoparticles is omitted.
The metal film 3A has a plurality of non-deposited regions G. The plurality of non-deposited regions G are dispersedly provided in the metal film 3A as an island-shaped gap having a length of 1 μm or less in the major axis direction. The region of the metal film 3 other than the non-deposited region G is a film-forming region.
The non-deposited region G is a region in which no metal is present and the first surface 1a is exposed. That is, it is a gap that penetrates the metal film 3A in the thickness direction. A region (for example, region S in FIG. 5) that does not form a void penetrating the metal film 3A even if the metal does not exist in a part in the thickness direction does not correspond to the non-deposition region G. This is the film formation area.

非成膜領域Gは上面視で島状の隙間であり、複数の非成膜領域Gはそれぞれ独立している場合もあり、数個が連結している場合もあるが、全体として連結していない。したがって、非成膜領域Gは、図5に示すように、金属表面3aによって囲まれており、非成膜領域Gを介して金属表面3a同士が対向している。非成膜領域Gを介して対向する金属表面間の距離、つまり非成膜領域Gの幅は通常、極めて小さく、例えば数ナノメートル〜数十ナノメートルオーダーである。このような金属表面3a間では、局在型表面プラズモンによる電場の重ね合わせによって電場増強を発生させることができる。特に、非成膜領域Gの幅が一桁ナノメートルの場合は、極めて強力な電場増強が得られる。 The non-deposited region G is an island-shaped gap in the top view, and the plurality of non-deposited regions G may be independent or several may be connected, but they are connected as a whole. No. Therefore, as shown in FIG. 5, the non-deposited region G is surrounded by the metal surface 3a, and the metal surfaces 3a face each other via the non-deposited region G. The distance between the metal surfaces facing each other via the non-deposited region G, that is, the width of the non-deposited region G is usually extremely small, for example, on the order of several nanometers to several tens of nanometers. Between such metal surfaces 3a, electric field enhancement can be generated by superposition of electric fields by localized surface plasmons. In particular, when the width of the non-deposited region G is a single digit nanometer, an extremely strong electric field enhancement can be obtained.

非成膜領域Gを介して対向する金属表面3a間の距離は、1〜20nmが好ましく、1〜10nmがより好ましく、1〜5nmがさらに好ましい。金属表面3a間の距離が前記範囲の範囲内であれば、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強効果がより優れる。
非成膜領域Gを囲む金属表面が、図5に示すように金属膜3の厚さ方向に対して傾斜した傾斜面である場合、金属表面3a間の距離には分布がある。金属表面3a間の距離に分布がある場合、金属表面3a間の距離の最大値が前記の好ましい上限値以下であることが好ましい。また、金属表面3a間の距離の最小値が前記の好ましい下限値以上であることが好ましい。
金属表面3a間の距離は、後述する実施例に記載の方法により測定される。
The distance between the metal surfaces 3a facing each other via the non-deposition region G is preferably 1 to 20 nm, more preferably 1 to 10 nm, and even more preferably 1 to 5 nm. When the distance between the metal surfaces 3a is within the above range, the electric field enhancing effect by the localized surface plasmon resonance is more excellent.
When the metal surface surrounding the non-deposition region G is an inclined surface inclined with respect to the thickness direction of the metal film 3 as shown in FIG. 5, there is a distribution in the distance between the metal surfaces 3a. When there is a distribution in the distance between the metal surfaces 3a, it is preferable that the maximum value of the distance between the metal surfaces 3a is equal to or less than the above-mentioned preferable upper limit value. Further, it is preferable that the minimum value of the distance between the metal surfaces 3a is equal to or more than the above-mentioned preferable lower limit value.
The distance between the metal surfaces 3a is measured by the method described in Examples described later.

金属膜3Aの厚さは、非成膜領域G以外の領域、つまり成膜領域の平均厚さとして、3〜40nmが好ましく、4〜30nmがより好ましく、5〜20nmが最も好ましい。金属膜3Aの厚さが前記範囲内であれば、非成膜領域Gを有し、非成膜領域Gを介して対向する金属表面間の距離、金属膜3Aの総面積に対する非成膜領域Gの面積の割合がそれぞれ前記の好ましい範囲内である金属膜3Aとなりやすい。金属膜3Aの厚さが前記下限値以上であれば、金属膜3Aの表面のシート抵抗が前記上限値以下となりやすい。 The thickness of the metal film 3A is preferably 3 to 40 nm, more preferably 4 to 30 nm, and most preferably 5 to 20 nm as the average thickness of the region other than the non-deposition region G, that is, the film formation region. If the thickness of the metal film 3A is within the above range, it has a non-deposited region G, a distance between opposing metal surfaces via the non-deposited region G, and a non-deposited region with respect to the total area of the metal film 3A. The metal film 3A in which the ratio of the area of G is within the above-mentioned preferable range is likely to be obtained. When the thickness of the metal film 3A is at least the above lower limit value, the sheet resistance on the surface of the metal film 3A tends to be at least the above upper limit value.

金属膜3Aの厚さ(成膜領域の平均厚さ)は、以下の方法で求められる成膜レートから算出される値である。先ず単結晶シリコン基板等、原子間力顕微鏡(AFM)によって求められる中心線平均粗さRaが1nm以下の平坦な基材を準備し、これにテープ等でマスクをし、その後金属膜を数〜数十nm程度一定時間成膜し、マスクを除去した後、成膜厚さをAFMで測定する。上記情報より、成膜レート(単位時間当たりの成膜厚さ(nm/min))を求める。成膜レートが求まれば、この成膜レートと金属膜3Aを成膜する際の成膜時間から金属膜3Aの厚さを算出することができる。
上記方法において、便宜上、AFMの代わりに触針式段差計を用いて成膜厚さを測定してもよい。この場合でも同様の結果が得られるが、AFMと触針式段差計による測定値が異なる場合は、本発明においてはAFMによる測定値を採用する。
金属膜3Aの厚さは、便宜上、透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して、金属膜3Aを含む基板の断面サンプルの顕微鏡像を取得し、像中で金属膜3Aの厚さを実測する方法で測定してもよい。この場合でも同様の結果が得られる。この方法は、成膜レート等の情報を予め測定する必要が無いため、製造条件等が未知のサンプルに対して有効な手段となる。
成膜レート未知のサンプルの金属膜3Aの厚さを知るための他の方法としては、ナイフなどを用いて極めて細い傷を金属膜3Aの表面に形成し、その傷の深さをAFMによって測長する方法が有効である。金属膜3Aは極めて薄いため、比較的弱い力で基材が露出する傷を形成することが可能である。
The thickness of the metal film 3A (average thickness of the film-forming region) is a value calculated from the film-forming rate obtained by the following method. First, prepare a flat substrate such as a single crystal silicon substrate with a centerline average roughness Ra of 1 nm or less determined by an atomic force microscope (AFM), mask it with tape or the like, and then cover several metal films. A film is formed for a certain period of time of about several tens of nm, the mask is removed, and then the film thickness is measured by AFM. From the above information, the film formation rate (film thickness per unit time (nm / min)) is obtained. Once the film formation rate is obtained, the thickness of the metal film 3A can be calculated from the film formation rate and the film formation time when the metal film 3A is formed.
In the above method, for convenience, the film thickness may be measured by using a stylus type step meter instead of the AFM. The same result can be obtained in this case as well, but when the measured values by the AFM and the stylus type step meter are different, the measured values by the AFM are adopted in the present invention.
For the thickness of the metal film 3A, for convenience, a transmission electron microscope (TEM) is used to obtain a microscopic image of a cross-sectional sample of the substrate including the metal film 3A, and the thickness of the metal film 3A is actually measured in the image. It may be measured by a method. Similar results can be obtained in this case as well. Since it is not necessary to measure information such as the film formation rate in advance in this method, it is an effective means for a sample whose manufacturing conditions and the like are unknown.
As another method for knowing the thickness of the metal film 3A of a sample whose film formation rate is unknown, an extremely fine scratch is formed on the surface of the metal film 3A using a knife or the like, and the depth of the scratch is measured by AFM. The lengthening method is effective. Since the metal film 3A is extremely thin, it is possible to form scratches that expose the base material with a relatively weak force.

金属膜3Bの厚さは、40〜400nm以下がより好ましく、50〜200nmがさらに好ましい。金属膜3Bの厚さが前記下限値以上であれば、非成膜領域を有しない金属膜となりやすい。また、金属膜3BAの厚さが前記範囲内であれば、金属膜3Aの表面のシート抵抗が範囲内となりやすい。
金属膜3Bの厚さは、金属膜3Aの厚さと同様にして測定される。
The thickness of the metal film 3B is more preferably 40 to 400 nm or less, further preferably 50 to 200 nm. When the thickness of the metal film 3B is at least the above lower limit value, it tends to be a metal film having no non-deposition region. Further, if the thickness of the metal film 3BA is within the above range, the sheet resistance on the surface of the metal film 3A tends to be within the range.
The thickness of the metal film 3B is measured in the same manner as the thickness of the metal film 3A.

(金属ナノ粒子)
金属ナノ粒子5を構成する金属としては、表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得るものであればよく、例えば金、銀、アルミニウム、銅、白金、これらの2種以上の合金等が挙げられる。
金属ナノ粒子5の形状は、特に限定されず、例えば球状、針状(棒状)、フレーク状、多面体状、リング状、中空状(中心部は空洞若しくは誘電体が存在する)、樹状結晶、その他不定形状等が挙げられる。
複数の金属ナノ粒子5の少なくとも一部が凝集して二次粒子を形成していてもよい。
(Metal nanoparticles)
The metal constituting the metal nanoparticles 5 may be any metal that can generate an electric field enhancement due to surface plasmon resonance, and examples thereof include gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys of two or more of these.
The shape of the metal nanoparticles 5 is not particularly limited, and for example, spherical, needle-shaped (rod-shaped), flake-shaped, polyhedral-shaped, ring-shaped, hollow-shaped (hollow or dielectric is present in the center), dendritic crystal, and the like. Other examples include an indefinite shape.
At least a part of the plurality of metal nanoparticles 5 may be aggregated to form secondary particles.

金属ナノ粒子5の平均一次粒子径は、5〜100nmであり、5〜80nmが好ましく、5〜40nmがより好ましい。金属ナノ粒子5の平均一次粒子径が前記範囲内であれば、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強効果が優れる。
金属ナノ粒子5の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)によって直接金属ナノ粒子5の一次粒子径を測長し、その平均値を得る方法によって測定される。この場合、平均的な状態を知るため、n=20以上の平均値を取得する。
上記方法において、便宜上、SEMの代わりに、透過型電子顕微鏡(TEM)又は原子間力顕微鏡(AFM)を用いてもよい。この場合でも同様の結果が得られる。
金属ナノ粒子5の平均一次粒子径は、便宜上、動的光散乱法による粒度分布計によって測定してもよい。この場合、二次粒子(一次粒子が凝集した集合体)が存在すると粒度分布曲線に複数のピークが生じるため、最も小さい粒径のピークが目的の粒径となる。この方法でも上記SEMを用いた測定方法と同様の結果が得られる。
SEM等の顕微鏡的手段を用いる測定方法は製品としての分析用基板の表面を後から分析する場合に有用であり、動的光散乱法による測定方法は分析用基板を製造する際に有用である。
The average primary particle size of the metal nanoparticles 5 is 5 to 100 nm, preferably 5 to 80 nm, and more preferably 5 to 40 nm. When the average primary particle size of the metal nanoparticles 5 is within the above range, the electric field enhancing effect by the localized surface plasmon resonance is excellent.
The average primary particle size of the metal nanoparticles 5 is measured by a method of directly measuring the primary particle size of the metal nanoparticles 5 with a scanning electron microscope (SEM) and obtaining the average value. In this case, in order to know the average state, an average value of n = 20 or more is acquired.
In the above method, for convenience, a transmission electron microscope (TEM) or an atomic force microscope (AFM) may be used instead of the SEM. Similar results can be obtained in this case as well.
For convenience, the average primary particle size of the metal nanoparticles 5 may be measured by a particle size distribution meter by a dynamic light scattering method. In this case, the presence of secondary particles (aggregates of primary particles) causes a plurality of peaks in the particle size distribution curve, so that the peak with the smallest particle size is the target particle size. With this method as well, the same result as the measurement method using the above SEM can be obtained.
The measurement method using a microscopic means such as SEM is useful when the surface of the analysis substrate as a product is analyzed later, and the measurement method by the dynamic light scattering method is useful when manufacturing the analysis substrate. ..

金属膜3上に離間して配置された、隣り合う2つの金属ナノ粒子5間の最短距離は、1〜20nmが好ましく、1〜10nmがより好ましく、1〜5nmがさらに好ましい。前記最短距離が前記範囲内であれば、各金属ナノ粒子5の間で局在型表面プラズモン共鳴による電場増強が発生し、各金属ナノ粒子5の間に吸着した測定対象分子の高感度ラマン分光分析が可能となる。また、金属膜3に対して金属ナノ粒子5が接地していても、その接点近傍には金属膜3と金属ナノ粒子5の微小な隙間が発生するため、ここでも局在型表面プラズモン共鳴による電場増強が発生し高感度ラマン分光分析が可能となる。
前記最短距離は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、隣り合う2つの金属ナノ粒子を含む基板の表面サンプルの顕微鏡像を取得し、像中で隣り合う2つの金属ナノ粒子の間隙を実測する方法によって測定される。この方法は、10万倍以上、好ましくは100万倍以上の倍率を必要とする。隣り合う2つの金属ナノ粒子5間の最短距離は局所的に異なり、一様ではないため、n=20以上の測定を行い、距離の分布を取得する。
上記方法において、便宜上、SEMの代わりに、透過型電子顕微鏡(TEM)又は原子間力顕微鏡(AFM)を用いてもよい。この場合でも同様の結果が得られる。
ただし、表面増強ラマン散乱効果に最も有効に寄与するのは、1nm程度のナノギャップとも言われており、必ずしも距離の分布の平均値が意味を持つ数値にはならない。
The shortest distance between two adjacent metal nanoparticles 5 arranged apart on the metal film 3 is preferably 1 to 20 nm, more preferably 1 to 10 nm, and even more preferably 1 to 5 nm. When the shortest distance is within the above range, electric field enhancement due to localized surface plasmon resonance occurs between the metal nanoparticles 5, and high-sensitivity Raman spectroscopy of the molecule to be measured adsorbed between the metal nanoparticles 5. Analysis is possible. Further, even if the metal nanoparticles 5 are in contact with the metal film 3, a minute gap between the metal film 3 and the metal nanoparticles 5 is generated in the vicinity of the contact point, so that the localized surface plasmon resonance also occurs here. High-sensitivity Raman spectroscopic analysis becomes possible due to the enhancement of the electric field.
For the shortest distance, a scanning electron microscope (SEM) is used to obtain a microscopic image of a surface sample of a substrate containing two adjacent metal nanoparticles, and the gap between the two adjacent metal nanoparticles in the image is actually measured. Measured by the method of This method requires a magnification of 100,000 times or more, preferably 1 million times or more. Since the shortest distance between two adjacent metal nanoparticles 5 is locally different and not uniform, a measurement of n = 20 or more is performed to obtain a distance distribution.
In the above method, for convenience, a transmission electron microscope (TEM) or an atomic force microscope (AFM) may be used instead of the SEM. Similar results can be obtained in this case as well.
However, it is said that the nanogap of about 1 nm contributes most effectively to the surface-enhanced Raman scattering effect, and the average value of the distance distribution is not necessarily a meaningful value.

(分析用基板の製造方法)
分析用基板10の製造方法としては、例えば、以下の製造方法(I)が挙げられる。
製造方法(I):
基板1の第一面1a上に金属を堆積させて金属膜3を成膜する工程(以下、「工程I−1」ともいう。)と、
複数の金属ナノ粒子5と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を金属膜3上に塗布し、乾燥する工程(以下、「工程I−2」ともいう。)と、を有する、分析用基板の製造方法。
工程I−1において、第一面1a上に、金属の堆積していない複数の領域が、長軸方向の長さが1μm以下の島状の隙間形状として残り、金属膜の表面のシート抵抗が5000Ω/□以下となった状態で、第一面1a上への金属の堆積を終了すると、金属膜3Aとなる。金属の堆積を終了せずにそのまま続けると、非成膜領域Gが消失し、膜表面の凹凸が小さくなって、平坦な表面を有する金属膜3Bとなる。
(Manufacturing method of analytical substrate)
Examples of the method for manufacturing the analysis substrate 10 include the following manufacturing method (I).
Manufacturing method (I):
A step of depositing a metal on the first surface 1a of the substrate 1 to form a metal film 3 (hereinafter, also referred to as “step I-1”).
An analytical substrate comprising a step of applying a metal nanoparticle dispersion liquid containing a plurality of metal nanoparticles 5 and a dispersion medium onto the metal film 3 and drying the metal nanoparticles (hereinafter, also referred to as “step I-2”). Manufacturing method.
In step I-1, a plurality of regions where no metal is deposited remain on the first surface 1a as island-shaped gaps having a length of 1 μm or less in the major axis direction, and the sheet resistance on the surface of the metal film is increased. When the metal deposition on the first surface 1a is completed in the state of 5000Ω / □ or less, the metal film 3A is formed. If the metal deposition is continued without being completed, the non-deposited region G disappears, the unevenness of the film surface becomes smaller, and the metal film 3B has a flat surface.

<工程I−1>
基板1としては、表面に二次元格子構造を形成した原版又はその転写品を用いることができる。かかる原版又はその転写品は、公知の製造方法により製造したものを用いてもよく、市販のものを用いてもよい。
<Step I-1>
As the substrate 1, an original plate having a two-dimensional lattice structure formed on its surface or a transferred product thereof can be used. As the original plate or a transferred product thereof, a product manufactured by a known production method may be used, or a commercially available product may be used.

原版は、原板の表面に二次元格子構造を形成することにより得られる。
原板は、表面に所定の二次元格子構造を有しない以外は、基板1と同様である。
原板の表面に二次元格子構造を形成する方法としては、たとえば、単粒子膜をエッチングマスクとしたドライエッチング法(コロイダルリソグラフィー法)、電子ビームリソグラフィー法、機械式切削加工法、レーザー熱リソグラフィー法、干渉露光法、より具体的には二光束干渉露光法、縮小露光法、アルミナの陽極酸化法、およびそれらのいずれかの方法により作製した、表面に二次元格子構造を有する転写原版からのナノインプリント法等が挙げられる。
The original plate is obtained by forming a two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate.
The original plate is the same as the substrate 1 except that the surface does not have a predetermined two-dimensional lattice structure.
Examples of the method for forming a two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate include a dry etching method (colloidal lithography method) using a single particle film as an etching mask, an electron beam lithography method, a mechanical cutting method, and a laser thermal lithography method. Interference exposure method, more specifically, two-beam interference exposure method, reduced exposure method, alumina anodization method, and nanoimprint method from a transfer original plate having a two-dimensional lattice structure on the surface, which is produced by any of these methods. And so on.

二次元格子構造の形成方法としては、様々な方法が適用可能で、例えば電子線描画とドライエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法やナノポーラスアルミナ陽極酸化法、或いはそれによる原盤を用いるナノインプリント法などが挙げられるが、大面積・低コストで微細構造体を作製できる点で、単粒子膜をエッチングマスクとしたドライエッチング法(コロイダルリソグラフィー法)が好ましい。また、コロイダルリソグラフィー法は、容易に複数種のピッチの異なる構造体を作製することが可能で、構造の最適化および機能検証が迅速に行えるという利点がある。
コロイダルリソグラフィー法による基板1の製造は、より具体的には、原板(表面に二次元格子構造を形成する前の基板)上に単粒子膜を配置する工程(単粒子膜配置工程)と、前記単粒子膜および前記原板をドライエッチングする工程(ドライエッチング工程)とを有する製造方法により行うことができる。
単粒子膜および各工程については後で詳細に説明する。
As a method for forming a two-dimensional lattice structure, various methods can be applied, and examples thereof include a photolithography method combining electron beam drawing and dry etching, a nanoporous alumina anodization method, and a nanoimprint method using a master based on the photolithography method. However, a dry etching method (colloidal lithography method) using a single particle film as an etching mask is preferable because a fine structure can be produced in a large area and at low cost. In addition, the colloidal lithography method has an advantage that it is possible to easily produce a plurality of types of structures having different pitches, and it is possible to quickly optimize the structure and verify the function.
More specifically, the production of the substrate 1 by the colloidal etching method includes a step of arranging a single particle film on an original plate (a substrate before forming a two-dimensional lattice structure on the surface) (single particle film arranging step) and the above-mentioned. It can be performed by a manufacturing method including a step of dry etching the single particle film and the original plate (dry etching step).
The single particle film and each step will be described in detail later.

第一面1a上に金属を堆積する方法としては、特に限定されず、例えば蒸着法等の乾式法、電解メッキや無電解メッキ等の湿式法等が挙げられる。乾式法としては、例えば各種真空スパッタリング法、真空蒸着法等の物理蒸着法(PVD)、各種化学蒸着法(CVD)等が挙げられる。 The method of depositing the metal on the first surface 1a is not particularly limited, and examples thereof include a dry method such as a vapor deposition method and a wet method such as electrolytic plating and electroless plating. Examples of the dry method include various vacuum sputtering methods, physical vapor deposition methods (PVD) such as vacuum vapor deposition methods, and various chemical vapor deposition methods (CVD).

第一面1aに対して乾式法により金属膜の成膜(金属の堆積)を行うと、まず、第一面1a全体に複数の金属粒子が付着し、金属粒子同士が成長により接合して微細な島状の金属膜が複数形成される。成膜が進むにつれて、隣り合う金属膜同士がより大きなクラスターを形成し、金属膜の面積と厚さが増加していく。これに伴い、第一面1a上の金属の堆積していない領域が狭くなっていく。金属の堆積していない領域が島状に残り、形成された金属膜の表面シート抵抗の値が前記範囲内となった状態(金属膜が連続膜となった状態)で成膜を終了することで、前述の金属膜3Aが得られる。島状に残った、金属の堆積していない領域が非成膜領域Gとなる。金属の堆積を終了せずにそのまま続けると、非成膜領域Gが消失し、金属膜3Bとなる。 When a metal film is formed on the first surface 1a by a dry method (metal deposition), first, a plurality of metal particles adhere to the entire first surface 1a, and the metal particles are joined by growth and become fine. Multiple island-shaped metal films are formed. As the film formation progresses, adjacent metal films form larger clusters, and the area and thickness of the metal films increase. Along with this, the region on the first surface 1a where no metal is deposited becomes narrower. The film formation is completed when the region where the metal is not deposited remains in an island shape and the value of the surface sheet resistance of the formed metal film is within the above range (the state where the metal film is a continuous film). Then, the above-mentioned metal film 3A is obtained. The region where no metal is deposited, which remains in an island shape, is the non-deposited region G. If the metal deposition is continued without being completed, the non-deposited region G disappears and the metal film 3B is formed.

第一面1a上に予め触媒を分散配置し、その状態で無電解メッキによる金属膜の成膜を行うと、まず、触媒の周囲に金属が付着し、微細な島状の金属膜が複数形成される。無電解メッキが進むにつれて、乾式法の場合と同様に、金属膜同士がより大きなクラスターを形成し、第一面1a上の金属の堆積していない領域が狭くなっていく。金属の堆積していない領域が島状に残り、形成された金属膜の表面シート抵抗値が前記範囲内となった状態で成膜を終了することで、前述の金属膜3Aが得られる。島状に残った、金属の堆積していない領域が非成膜領域Gとなる。金属の堆積を終了せずにそのまま続けると、非成膜領域Gが消失し、金属膜3Bとなる。 When the catalyst is dispersed and arranged in advance on the first surface 1a and a metal film is formed by electroless plating in that state, first, metal adheres around the catalyst and a plurality of fine island-shaped metal films are formed. Will be done. As the electroless plating progresses, as in the case of the dry method, the metal films form larger clusters, and the region on the first surface 1a where no metal is deposited becomes narrower. The above-mentioned metal film 3A can be obtained by completing the film formation in a state where the region where the metal is not deposited remains in an island shape and the surface sheet resistance value of the formed metal film is within the above range. The region where no metal is deposited, which remains in an island shape, is the non-deposited region G. If the metal deposition is continued without being completed, the non-deposited region G disappears and the metal film 3B is formed.

第一面1a上に金属を堆積する方法としては、不純物の付着が起こりにくく、金属膜の基材に対する付着強度が高く、海島構造のコントロールが行いやすい点から、スパッタリング法が好ましい。すなわち金属膜3がスパッタリング法で成膜された膜であることが好ましい。
第一面1a上に金属の堆積していない複数の領域が島状に残っていることは、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型電子顕微鏡(SEM)等の高倍率顕微鏡手段による10万倍程度の表面観察により確認できる。
蒸着を終了する際の金属膜3の表面のシート抵抗は、3〜500Ω/□が好ましく、3〜300Ω/□が最も好ましい。
As a method of depositing the metal on the first surface 1a, the sputtering method is preferable because the adhesion of impurities is unlikely to occur, the adhesion strength of the metal film to the substrate is high, and the sea-island structure can be easily controlled. That is, it is preferable that the metal film 3 is a film formed by a sputtering method.
The fact that multiple regions where no metal is deposited remains in an island shape on the first surface 1a is 100,000 times that of high-magnification microscope means such as an atomic force microscope (AFM) and a scanning electron microscope (SEM). It can be confirmed by observing the surface of the degree.
The sheet resistance on the surface of the metal film 3 at the end of the vapor deposition is preferably 3 to 500 Ω / □, most preferably 3 to 300 Ω / □.

<工程I−2>
金属ナノ粒子分散液の分散媒としては、金属ナノ粒子5を分散可能なものであればよく、例えば水、エタノール、その他有機溶剤等が挙げられる。
金属ナノ粒子分散液中の金属ナノ粒子5の含有量は、例えば、金属ナノ粒子分散液の総質量に対し、0.01〜10.0質量%であってよく、さらには0.1〜1.0質量%であってよい。
金属ナノ粒子分散液は、必要に応じて、発明の効果を損なわない範囲で、分散安定剤としてのクエン酸や各種無機塩等をさらに含んでいてもよい。
<Step I-2>
The dispersion medium of the metal nanoparticle dispersion liquid may be any medium as long as it can disperse the metal nanoparticles 5, and examples thereof include water, ethanol, and other organic solvents.
The content of the metal nanoparticles 5 in the metal nanoparticle dispersion may be, for example, 0.01 to 10.0 mass% with respect to the total mass of the metal nanoparticle dispersion, and further 0.1 to 1. It may be 0.0% by mass.
If necessary, the metal nanoparticle dispersion liquid may further contain citric acid as a dispersion stabilizer, various inorganic salts, and the like, as long as the effects of the invention are not impaired.

金属ナノ粒子分散液の塗布方法としては、特に限定されず、例えばスプレー法、ドロップキャスト法、ディップコート法、スピンコート法、インクジェット印刷法等の公知の塗布方法のなかから適宜選定できる。金属ナノ粒子散布により基板表面における金属ナノ粒子を高密度かつ均一に配置できる点で、スプレー法またはインクジェット印刷法が好ましい。 The coating method of the metal nanoparticle dispersion liquid is not particularly limited, and can be appropriately selected from known coating methods such as a spray method, a drop casting method, a dip coating method, a spin coating method, and an inkjet printing method. The spray method or the inkjet printing method is preferable because the metal nanoparticles can be uniformly arranged at high density on the surface of the substrate by spraying the metal nanoparticles.

工程I−1の後、又は工程I−2の後、通常の環境下(空気中)で長期保管を行うと、基板表面の金属構造体に空気中の汚染物質が付着し本発明の効果が低下するおそれがある。そのため、保管は真空容器または窒素やアルゴン等の不活性ガス中で行うことが好ましい。もし空気中の汚染物質によって本発明の効果が低下した場合には、必要に応じて、その機能を回復するために、同基板に対して紫外線(UV)/オゾン等の表面処理を行ってもよい。 After long-term storage in a normal environment (in air) after step I-1 or step I-2, contaminants in the air adhere to the metal structure on the surface of the substrate, and the effect of the present invention is exhibited. It may decrease. Therefore, storage is preferably performed in a vacuum container or an inert gas such as nitrogen or argon. If the effect of the present invention is reduced by pollutants in the air, the substrate may be surface-treated with ultraviolet rays (UV) / ozone, etc., if necessary, in order to restore its function. good.

<単粒子膜>
「単粒子膜」は、複数の粒子が二次元に配列した単層膜である。
単粒子膜を構成する粒子の材料としては、特に限定されず、有機材料でもよく、無機材料でもよく、有機材料と無機材料との複合材料でもよい。
有機材料としては、例えばポリスチレン、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等の熱可塑性樹脂;フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂;等が挙げられる。
無機材料としては、例えば、炭素同素体、無機炭化物、無機酸化物、無機窒化物、無機硼化物、無機硫化物、無機セレン化物等が挙げられる。炭素同素体としては、例えばダイヤモンド、グラファイト、フラーレン類等が挙げられる。無機炭化物としては、例えば炭化ケイ素、炭化硼素等が挙げられる。無機酸化物としては、例えば酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)等が挙げられる。無機窒化物としては、例えば窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素等が挙げられる。無機硼化物としては、例えばZrB、CrB等が挙げられる。無機硫化物としては、例えば硫化亜鉛、硫化カルシウム、硫化カドミウム、硫化ストロンチウム等が挙げられる。無機セレン化物としては、例えばセレン化亜鉛、セレン化カドミウム等が挙げられる。
粒子を構成する材料は1種でもよく2種以上でもよい。
<Single particle film>
A "single particle film" is a monolayer film in which a plurality of particles are arranged two-dimensionally.
The material of the particles constituting the single particle film is not particularly limited, and may be an organic material, an inorganic material, or a composite material of an organic material and an inorganic material.
Examples of the organic material include thermoplastic resins such as polystyrene and polymethylmethacrylate (PMMA); thermosetting resins such as phenol resin and epoxy resin; and the like.
Examples of the inorganic material include carbon homogenes, inorganic carbides, inorganic oxides, inorganic nitrides, inorganic borides, inorganic sulfides, and inorganic selenium compounds. Examples of carbon allotropes include diamond, graphite, fullerenes and the like. Examples of the inorganic carbide include silicon carbide, boron carbide and the like. Examples of the inorganic oxide include silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, cerium oxide, zinc oxide, tin oxide, yttrium aluminum garnet (YAG) and the like. Examples of the inorganic nitride include silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. Examples of the inorganic boride include ZrB 2 , CrB 2, and the like. Examples of the inorganic sulfide include zinc sulfide, calcium sulfide, cadmium sulfide, and strontium sulfide. Examples of the inorganic selenium product include zinc selenide and cadmium selenide.
The material constituting the particles may be one kind or two or more kinds.

単粒子膜を構成する粒子の平均粒径は、分光分析に用いる励起波長に合わせて前記段落[0020]に記載の方法で算出した周期的凹凸構造のピッチに相当する。粒子の平均粒径が前記計算値であれば、伝播型表面プラズモンを誘起しやすくなる。
単粒子膜を構成していないスラリー状態の粒子の平均粒径は、粒子動的光散乱法により求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから常法により求めることができる平均一次粒径のことである。
The average particle size of the particles constituting the single particle film corresponds to the pitch of the periodic uneven structure calculated by the method described in the above paragraph [0020] according to the excitation wavelength used for the spectroscopic analysis. If the average particle size of the particles is the calculated value, it is easy to induce propagation-type surface plasmons.
The average particle size of the particles in a slurry state that does not form a single particle film can be obtained by a conventional method from the peak obtained by fitting the particle size distribution obtained by the particle dynamic light scattering method to a Gaussian curve. It is the diameter.

図2に示すような三角格子構造の二次元格子構造を形成する場合、単粒子膜を構成する粒子の粒径の変動係数(標準偏差を平均値で除した値)は、20%以下が好ましく、10%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましい。このように粒径の変動係数、すなわち、粒径のばらつきが小さい粒子を使用すると、形成される単粒子膜に、粒子が存在しない欠陥箇所が生じにくくなり、粒子の配列のずれDが10%以下である高精度の単粒子膜を得ることができる。配列のずれDが10%以下である単粒子膜は、各粒子が二次元に最密充填し、粒子の間隔が制御されていて、その配列の精度が高い。よって、このような単粒子膜を原板上に配置し、ドライエッチングを行うと、原板表面に高精度な二次元格子構造を形成できる。
ただし本発明はこれに限定されるものではなく、粒径の変動係数の大きい粒子で単粒子膜を構成してもよい。例えば平均粒径の異なる複数の粒子群を混合したものを用いて単粒子膜を構成してもよい。
When forming a two-dimensional lattice structure having a triangular lattice structure as shown in FIG. 2, the coefficient of variation of the particle size (value obtained by dividing the standard deviation by the average value) of the particles constituting the single particle film is preferably 20% or less. 10% or less is more preferable, and 5% or less is further preferable. When particles having a small coefficient of variation in particle size, that is, particles having a small variation in particle size are used in this way, defects in which no particles do not exist are less likely to occur in the formed single particle film, and the deviation D of the arrangement of the particles is 10%. The following high-precision single-particle film can be obtained. In a single particle film having an arrangement deviation D of 10% or less, each particle is two-dimensionally close-packed, the particle spacing is controlled, and the accuracy of the arrangement is high. Therefore, when such a single particle film is arranged on the original plate and dry etching is performed, a highly accurate two-dimensional lattice structure can be formed on the surface of the original plate.
However, the present invention is not limited to this, and a single particle film may be formed of particles having a large coefficient of variation in particle size. For example, a single particle film may be formed by using a mixture of a plurality of particle groups having different average particle sizes.

粒子の配列のずれDは、下記式(1)で定義される。
D[%]=|B−A|×100/A・・・(1)
式(1)中、Aは単粒子膜を構成している粒子の平均粒径、Bは単粒子膜における粒子間の平均ピッチである。また、|B−A|はAとBとの差の絶対値を示す。
ここで、粒子の平均粒径とは、前記で定義したとおりである。
粒子間のピッチとは、隣り合う2つの粒子の頂点と頂点の距離であり、平均ピッチとはこれらを平均したものである。なお、粒子が球形であれば、隣り合う2つの粒子の頂点と頂点との距離は、隣り合う2つの粒子の中心と中心の距離と等しい。
The deviation D of the arrangement of particles is defined by the following equation (1).
D [%] = | BA | × 100 / A ... (1)
In the formula (1), A is the average particle size of the particles constituting the single particle film, and B is the average pitch between the particles in the single particle film. Further, | BA | indicates the absolute value of the difference between A and B.
Here, the average particle size of the particles is as defined above.
The pitch between particles is the distance between the vertices of two adjacent particles, and the average pitch is the average of these. If the particles are spherical, the distance between the vertices of the two adjacent particles is equal to the distance between the centers of the two adjacent particles.

単粒子膜における粒子間の平均ピッチBは、具体的には次のようにして求められる。
まず、単粒子膜における無作為に選択された領域で、一辺が微細構造の繰り返し単位30〜40波長分の正方形の領域について、原子間力顕微鏡イメージ又は走査型電子顕微鏡イメージを得る。例えば粒径300nmの粒子を用いた単粒子膜の場合、9μm×9μm〜12μm×12μmの領域のイメージを得る。そして、このイメージを2次元フーリエ変換により波形分離し、FFT像(高速フーリエ変換像)を得る。ついで、FFT像のプロファイルにおける0次ピークから1次ピークまでの距離を求める。こうして求められた距離の逆数がこの領域における平均ピッチBである。このような処理を無作為に選択された合計25カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における平均ピッチB〜B25を求める。こうして得られた25カ所以上の領域における平均ピッチB〜B25の平均値が式(1)における平均ピッチBである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも1mm離れて選択されることが好ましく、より好ましくは5mm〜1cm離れて選択される。
また、この際、FFT像のプロファイルにおける1次ピークの半値幅から、各イメージについて、その中の粒子間のピッチのばらつきを評価することもできる。
Specifically, the average pitch B between particles in the single particle film is obtained as follows.
First, an atomic force microscope image or a scanning electron microscope image is obtained for a square region of a repeating unit of 30 to 40 wavelengths having a fine structure on one side in a randomly selected region of a single particle membrane. For example, in the case of a single particle film using particles having a particle size of 300 nm, an image of a region of 9 μm × 9 μm to 12 μm × 12 μm is obtained. Then, this image is waveform-separated by a two-dimensional Fourier transform to obtain an FFT image (fast Fourier transform image). Then, the distance from the 0th-order peak to the 1st-order peak in the profile of the FFT image is obtained. The reciprocal of the distance thus obtained is the average pitch B 1 in this region. Such processing is performed in the same manner for a total of 25 or more randomly selected regions of the same area, and the average pitches B 1 to B 25 in each region are obtained. The average value of the average pitches B 1 to B 25 in the 25 or more regions thus obtained is the average pitch B in the equation (1). At this time, the regions are preferably selected at least 1 mm apart, and more preferably 5 mm to 1 cm apart.
At this time, it is also possible to evaluate the variation in the pitch between the particles in each image from the half width of the primary peak in the profile of the FFT image.

<単粒子膜配置工程>
単粒子膜配置工程は、ラングミュア−ブロジェット法(LB法)により行われることが好ましい。この方法は、単層化の精度、操作の簡便性、大面積化への対応、再現性等を兼ね備え、例えばNature, Vol.361, 7 January, 26(1993)等に記載されている液体薄膜法や特開昭58−120255号公報等に記載されているいわゆる粒子吸着法に比べて非常に優れ、工業生産レベルにも対応できる。
<Single particle film placement process>
The single particle film placement step is preferably performed by the Langmuir-Bloget method (LB method). This method has the accuracy of single layering, ease of operation, support for large area, reproducibility, etc., and is described in, for example, Nature, Vol.361, 7 January, 26 (1993). It is extremely superior to the so-called particle adsorption method described in the method and Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-120255, and can cope with the industrial production level.

LB法による単粒子膜配置工程は、例えば、その液面上で粒子を展開させるための液体(以下、下層液という場合もある。)として水を入れた水槽(トラフ)を用意し、その液面に、水よりも比重の小さい有機溶剤中に粒子が分散した分散液を滴下する工程(滴下工程)と、前記有機溶剤を揮発させることにより粒子からなる単粒子膜を形成する工程(単粒子膜形成工程)と、形成した単粒子膜を原板に移し取る工程(移行工程)と、を有する方法により実施できる。移行工程後に、基板に移し取った単粒子膜を基板に固定する工程(固定工程)を行ってもよい。
このとき、粒子としては、粒子が親水性の下層液の液面下に潜ってしまわないように、表面が疎水性である粒子が用いられる。また、有機溶剤としては、分散液を下層液の液面に滴下した際に分散液が下層液と混和せずに空気と下層液の気液界面に展開するように、疎水性のものが選択される。
なお、ここでは粒子として表面が疎水性のもの、有機溶剤として疎水性のものを選択し、下層液として親水性のものを使用する例を示したが、粒子として表面が親水性のもの、有機溶剤として親水性のものを選択し、下層液として疎水性の液体を使用してもよい。
以下に、使用する分散液および各工程について具体的に説明する。
In the single particle film placement step by the LB method, for example, a water tank (trough) containing water is prepared as a liquid for developing particles on the liquid surface (hereinafter, may be referred to as a lower layer liquid), and the liquid is prepared. A step of dropping a dispersion liquid in which particles are dispersed in an organic solvent having a specific gravity smaller than that of water (dropping step) and a step of forming a single particle film composed of particles by volatilizing the organic solvent (single particles). It can be carried out by a method having a film forming step) and a step of transferring the formed single particle film to the original plate (transition step). After the transition step, a step (fixing step) of fixing the single particle film transferred to the substrate to the substrate may be performed.
At this time, as the particles, particles having a hydrophobic surface are used so that the particles do not go under the surface of the hydrophilic lower layer liquid. Further, as the organic solvent, a hydrophobic one is selected so that when the dispersion liquid is dropped on the liquid surface of the lower layer liquid, the dispersion liquid does not mix with the lower layer liquid and develops at the gas-liquid interface between the air and the lower layer liquid. Will be done.
Here, an example is shown in which particles having a hydrophobic surface and an organic solvent having a hydrophobic surface are selected and a hydrophilic one is used as the underlayer liquid, but the particles have a hydrophilic surface and are organic. A hydrophilic solvent may be selected, and a hydrophobic liquid may be used as the underlayer liquid.
The dispersion liquid to be used and each step will be specifically described below.

「分散液」
分散液に用いる有機溶剤は、水よりも比重が小さい疎水性のものである。該有機溶剤はまた、高い揮発性を有することも重要である。水よりも比重が小さく疎水性であり、高い揮発性を有する有機溶剤としては、例えば、クロロホルム、メタノール(混合用材として使用)、エタノール(混合用材として使用)、イソプロパノール(混合用材として使用)、アセトン(混合用材として使用)、メチルエチルケトン、エチルエチルケトン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、酢酸エチル、酢酸ブチル等の1種以上からなる揮発性有機溶剤が挙げられる。
"Dispersion"
The organic solvent used in the dispersion is hydrophobic, which has a lower specific gravity than water. It is also important that the organic solvent has high volatility. Organic solvents that have a lower specific gravity than water, are hydrophobic, and have high volatility include, for example, chloroform, methanol (used as a mixing material), ethanol (used as a mixing material), isopropanol (used as a mixing material), and acetone. (Used as a mixing material), volatile organic solvents composed of one or more of methyl ethyl ketone, ethyl ethyl ketone, toluene, hexane, cyclohexane, ethyl acetate, butyl acetate and the like can be mentioned.

表面が疎水性の粒子としては、先に例示した粒子のうち、ポリスチレン等の有機材料からなり表面が元々疎水性を示すものを使用してもよく、表面が親水性の粒子を疎水化剤で疎水性にしたものを使用してもよい。
疎水化剤としては、例えば界面活性剤、金属アルコキシド等が使用できる。
界面活性剤を疎水化剤として使用する方法は、幅広い材料の疎水化に有効であり、粒子が無機酸化物等からなる場合に好適である。
金属アルコキシドを疎水化剤として使用する方法は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン等の無機酸化物粒子を疎水化する際に有効である。また、無機酸化物粒子以外にも、表面に水酸基を有する粒子に対して適用することができる。
As the particles having a hydrophobic surface, among the particles exemplified above, those made of an organic material such as polystyrene and having a hydrophobic surface originally may be used, and particles having a hydrophilic surface may be treated with a hydrophobic agent. Hydrophobicized ones may be used.
As the hydrophobizing agent, for example, a surfactant, a metal alkoxide or the like can be used.
The method of using a surfactant as a hydrophobizing agent is effective for hydrophobizing a wide range of materials, and is suitable when the particles are made of an inorganic oxide or the like.
The method of using a metal alkoxide as a hydrophobizing agent is effective in hydrophobizing inorganic oxide particles such as aluminum oxide, silicon oxide, and titanium oxide. In addition to the inorganic oxide particles, it can be applied to particles having a hydroxyl group on the surface.

界面活性剤としては、臭素化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、臭素化デシルトリメチルアンモニウム等のカチオン性界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム、4−オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアニオン性界面活性剤が好適に使用できる。また、アルカンチオール、ジスルフィド化合物、テトラデカン酸、オクタデカン酸等も使用できる。 As the surfactant, a cationic surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide and decyltrimethylammonium bromide, and an anionic surfactant such as sodium dodecyl sulfate and sodium 4-octylbenzenesulfonate can be preferably used. Further, alkanethiol, disulfide compound, tetradecanoic acid, octadecanoic acid and the like can also be used.

金属アルコキシドとしては、例えばアルコキシシランが挙げられる。
アルコキシシランとしては、モノメチルトリメトキシシラン、モノメチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
Examples of the metal alkoxide include alkoxysilane.
Examples of alkoxysilanes include monomethyltrimethoxysilane, monomethyltriethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, phenyltriethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, decyltrimethoxysilane, vinyltricrolsilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, and 2 -(3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxy Silane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N- 2 (Aminoethyl) 3-Aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (Aminoethyl) 3-Aminopropyltrimethoxysilane, N-2 (Aminoethyl) 3-Aminopropyltriethoxysilane, 3-Aminopropyltrimethoxysilane , 3-Aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltri Examples thereof include methoxysilane and 3-isocyanuppropyltriethoxysilane.

界面活性剤を用いた疎水化処理は、有機溶剤や水等の液体に粒子を分散させて液中で行ってもよいし、乾燥状態にある粒子に対して行ってもよい。
液中で行う場合には、例えば、前述の揮発性有機溶剤中に、疎水化対象の粒子を加えて分散させ、その後、界面活性剤を混合してさらに分散を続ければよい。このようにあらかじめ粒子を分散させておき、それから界面活性剤を加えると、表面をより均一に疎水化することができる。このような疎水化処理後の分散液は、そのまま、滴下工程において下層液の液面に滴下するための分散液として使用できる。
疎水化対象の粒子が水分散体の状態である場合には、この水分散体に界面活性剤を加えて水相で粒子表面の疎水化処理を行った後、有機溶剤を加えて疎水化処理済みの粒子を油相抽出する方法も有効である。こうして得られた分散液(有機溶剤中に粒子が分散した分散液)は、そのまま、滴下工程において下層液の液面に滴下するための分散液として使用できる。
分散液の粒子分散性を高めるために、有機溶剤の種類と界面活性剤の種類とを適切に選択し、組み合わせることが好ましい。粒子分散性の高い分散液を使用することによって、粒子がクラスター状に凝集することを抑制でき、各粒子が二次元に密集した単粒子膜がより得られやすくなる。例えば、有機溶剤としてクロロホルムを選択する場合には、界面活性剤として臭素化デシルトリメチルアンモニウムを使用することが好ましい。その他にも、エタノールとドデシル硫酸ナトリウムとの組み合わせ、メタノールと4−オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウムとの組み合わせ、メチルエチルケトンとオクダデカン酸との組み合わせ等を好ましく例示できる。
疎水化対象の粒子と界面活性剤の比率は、疎水化対象の粒子の質量に対して、界面活性剤の質量が1/3〜1/15倍の範囲が好ましい。
こうした疎水化処理の際には、処理中の分散液を撹拌したり、分散液に超音波照射したりすることも粒子分散性向上の点で効果的である。
The hydrophobizing treatment using a surfactant may be carried out in the liquid by dispersing the particles in a liquid such as an organic solvent or water, or may be carried out on the particles in a dry state.
In the case of carrying out in a liquid, for example, particles to be hydrophobized may be added and dispersed in the above-mentioned volatile organic solvent, and then a surfactant may be mixed to continue the dispersion. By dispersing the particles in advance in this way and then adding a surfactant, the surface can be hydrophobized more uniformly. The dispersion liquid after such hydrophobization treatment can be used as it is as a dispersion liquid for dropping on the liquid surface of the lower layer liquid in the dropping step.
When the particles to be hydrophobized are in the state of an aqueous dispersion, a surfactant is added to the aqueous dispersion to hydrophobize the particle surface in the aqueous phase, and then an organic solvent is added to hydrophobize the particles. A method of extracting the oil phase of the finished particles is also effective. The dispersion liquid thus obtained (dispersion liquid in which particles are dispersed in an organic solvent) can be used as it is as a dispersion liquid for dropping onto the liquid surface of the lower layer liquid in the dropping step.
In order to enhance the particle dispersibility of the dispersion liquid, it is preferable to appropriately select and combine the type of organic solvent and the type of surfactant. By using a dispersion liquid having high particle dispersibility, it is possible to suppress the agglutination of particles in a cluster shape, and it becomes easier to obtain a single particle film in which each particle is two-dimensionally densely packed. For example, when chloroform is selected as the organic solvent, it is preferable to use decyltrimethylammonium bromide as the surfactant. In addition, a combination of ethanol and sodium dodecylsulfate, a combination of methanol and sodium 4-octylbenzenesulfonate, a combination of methyl ethyl ketone and octadecanic acid, and the like can be preferably exemplified.
The ratio of the particles to be hydrophobized to the surfactant is preferably in the range of 1/3 to 1/15 times the mass of the surfactant with respect to the mass of the particles to be hydrophobized.
At the time of such hydrophobization treatment, it is also effective to stir the dispersion liquid being treated or to irradiate the dispersion liquid with ultrasonic waves in terms of improving particle dispersibility.

金属アルコキシドを用いた疎水化処理では、金属アルコキシド中の金属原子に結合したアルコキシ基が加水分解し、水酸基が生成する。例えばアルコキシシランの場合、アルコキシシリル基が加水分解してシラノール基(Si−OH)が生成する。生成した水酸基が粒子表面の水酸基と脱水縮合することで疎水化が行われる。よって、金属アルコキシドを用いた疎水化処理は、水中で実施することが好ましい。このように水中で疎水化処理を行う場合には、例えば界面活性剤等の分散剤を併用して、疎水化前の粒子の分散状態を安定化するのが好ましいが、分散剤の種類によっては金属アルコキシドの疎水化効果が低減することもあるため、分散剤と金属アルコキシドとの組み合わせは適切に選択する。 In the hydrophobization treatment using a metal alkoxide, the alkoxy group bonded to the metal atom in the metal alkoxide is hydrolyzed to generate a hydroxyl group. For example, in the case of alkoxysilane, the alkoxysilyl group is hydrolyzed to form a silanol group (Si-OH). Hydrophobization is performed by dehydration condensation of the generated hydroxyl groups with the hydroxyl groups on the particle surface. Therefore, the hydrophobizing treatment using a metal alkoxide is preferably carried out in water. When the alkoxide treatment is performed in water in this way, it is preferable to use a dispersant such as a surfactant in combination to stabilize the dispersed state of the particles before the alkoxide, but depending on the type of the dispersant. Since the hydrophobizing effect of the metal alkoxide may be reduced, the combination of the dispersant and the metal alkoxide is appropriately selected.

金属アルコキシドにより粒子を疎水化する具体的方法としては、まず、水中に粒子を分散させておき、これと金属アルコキシド含有水溶液(金属アルコキシドの加水分解物を含む水溶液)とを混合し、室温から40℃の範囲で適宜攪拌しながら所定時間、好ましくは6〜12時間反応させる。このような条件で反応させることによって、反応が適度に進行し、十分に疎水化された粒子の分散液を得ることができる。反応が過度に進行すると、シラノール基同士が反応して粒子同士が結合してしまい、分散液の粒子分散性が低下し、得られる単粒子膜は、粒子が部分的にクラスター状に凝集した2層以上のものになりやすい。一方、反応が不十分であると、粒子表面の疎水化も不十分となり、後述する粒子を水面に展開する操作において粒子が水中に沈降する不具合が生じたり、得られる単粒子膜の強度が低下してシワ状の欠陥が生じるため好ましくない。
前述のアルコキシシランのうちアミン系以外のアルコキシシランは、酸性又はアルカリ性の条件下で加水分解するため、反応時には分散液のpHを酸性又はアルカリ性に調整する必要がある。pHの調整法には制限はないが、0.1〜2.0質量%濃度の酢酸水溶液を添加する方法によれば、加水分解促進の他に、シラノール基安定化の効果も得られるため好ましい。
疎水化対象の粒子と金属アルコキシドの比率は、疎水化対象の粒子の質量に対して、金属アルコキシドの質量が1/3〜1/100倍の範囲が好ましい。
所定時間反応後、この分散液に対して、前述の揮発性有機溶剤のうちの1種以上を加え、水中で疎水化された粒子を油相抽出する。この際、添加する有機溶剤の体積は、有機溶剤添加前の分散液に対して0.3〜3倍の範囲が好ましい。こうして得られた分散液(有機溶剤中に粒子が分散した分散液)は、そのまま、滴下工程において下層液の液面に滴下するための分散液として使用できる。
こうした疎水化処理においては、処理中の分散液の粒子分散性を高めるために、撹拌、超音波照射等実施することが好ましい。分散液の粒子分散性を高めることによって、粒子がクラスター状に凝集することを抑制でき、各粒子が二次元に密集した単粒子膜がより得られやすくなる。
As a specific method for making particles hydrophobic with metal alkoxide, first, the particles are dispersed in water, and this is mixed with an aqueous solution containing metal alkoxide (an aqueous solution containing a hydrolyzate of metal alkoxide) from room temperature to 40. The reaction is carried out for a predetermined time, preferably 6 to 12 hours, with appropriate stirring in the range of ° C. By reacting under such conditions, the reaction proceeds appropriately, and a dispersion of sufficiently hydrophobic particles can be obtained. If the reaction proceeds excessively, the silanol groups react with each other and the particles are bonded to each other, and the particle dispersibility of the dispersion liquid is lowered. In the obtained single particle film, the particles are partially aggregated into clusters2. It tends to be more than a layer. On the other hand, if the reaction is insufficient, the hydrophobicity of the particle surface is also insufficient, causing a problem that the particles settle in water in the operation of deploying the particles on the water surface, which will be described later, or the strength of the obtained single particle film is lowered. This is not preferable because it causes wrinkle-like defects.
Of the above-mentioned alkoxysilanes, alkoxysilanes other than amine-based are hydrolyzed under acidic or alkaline conditions, so it is necessary to adjust the pH of the dispersion to acidic or alkaline during the reaction. The method for adjusting the pH is not limited, but the method of adding an aqueous acetic acid solution having a concentration of 0.1 to 2.0% by mass is preferable because it has the effect of stabilizing the silanol group in addition to promoting hydrolysis. ..
The ratio of the particles to be hydrophobized to the metal alkoxide is preferably in the range of 1/3 to 1/100 times the mass of the metal alkoxide with respect to the mass of the particles to be hydrophobized.
After the reaction for a predetermined time, one or more of the above-mentioned volatile organic solvents are added to the dispersion, and the hydrophobicized particles in water are extracted in an oil phase. At this time, the volume of the organic solvent to be added is preferably in the range of 0.3 to 3 times that of the dispersion liquid before the addition of the organic solvent. The dispersion liquid thus obtained (dispersion liquid in which particles are dispersed in an organic solvent) can be used as it is as a dispersion liquid for dropping onto the liquid surface of the lower layer liquid in the dropping step.
In such a hydrophobizing treatment, it is preferable to carry out stirring, ultrasonic irradiation, etc. in order to enhance the particle dispersibility of the dispersion liquid during the treatment. By increasing the particle dispersibility of the dispersion liquid, it is possible to suppress the agglomeration of particles in a cluster shape, and it becomes easier to obtain a single particle film in which each particle is two-dimensionally densely packed.

「滴下工程」
滴下工程では、上記の分散液を、下層液の液面に滴下する。
下層液に滴下する分散液中の粒子の濃度は1〜10質量%とすることが好ましい。また、分散液の滴下速度を0.001〜0.01mL/秒とすることが好ましい。分散液中の粒子の濃度や分散液の滴下量がこのような範囲であると、粒子が部分的にクラスター状に凝集して2層以上となる、粒子が存在しない欠陥箇所が生じる、粒子間のピッチが広がる等の傾向が抑制され、各粒子が二次元に密集した単粒子膜がより得られやすい。
"Dripping process"
In the dropping step, the above dispersion liquid is dropped on the liquid surface of the lower layer liquid.
The concentration of particles in the dispersion liquid dropped into the lower layer liquid is preferably 1 to 10% by mass. Further, it is preferable that the dropping rate of the dispersion liquid is 0.001 to 0.01 mL / sec. When the concentration of particles in the dispersion liquid and the amount of dropping of the dispersion liquid are in such a range, the particles are partially clustered to form two or more layers, and defect points where no particles do not exist occur. The tendency of widening the pitch of the particles is suppressed, and it is easier to obtain a single particle film in which each particle is densely packed in two dimensions.

形成する単粒子膜の精度をより高めるために、液面に滴下する前の分散液をメンブランフィルター等で精密ろ過して、分散液中に存在する凝集粒子(複数の1次粒子からなる2次粒子)を除去することが好ましい。このようにあらかじめ精密ろ過を行っておくと、部分的に2層以上となった箇所や、粒子が存在しない欠陥箇所が生じにくく、精度の高い単粒子膜が得られやすい。仮に、形成された単粒子膜に、数〜数十μm程度の大きさの欠陥箇所が存在したとすると、詳しくは後述する移行工程において、単粒子膜の表面圧を計測する表面圧力センサーと、単粒子膜を液面方向に圧縮する可動バリアとを備えたLBトラフ装置を使用したとしても、このような欠陥箇所は表面圧の差として検知されず、高精度な単粒子膜を得ることは難しくなる。 In order to further improve the accuracy of the single particle film to be formed, the dispersion liquid before being dropped on the liquid surface is precisely filtered with a membrane filter or the like, and the aggregated particles (secondary particles composed of a plurality of primary particles) existing in the dispersion liquid are used. It is preferable to remove the particles). When microfiltration is performed in advance in this way, it is difficult to generate parts having two or more layers or defective parts in which particles do not exist, and it is easy to obtain a highly accurate single particle film. Assuming that the formed single particle film has a defect portion having a size of several to several tens of μm, a surface pressure sensor that measures the surface pressure of the single particle film and a surface pressure sensor that measures the surface pressure of the single particle film will be described in detail in the transition step described later. Even if an LB trough device equipped with a movable barrier that compresses the single particle film in the liquid surface direction is used, such a defective portion is not detected as a difference in surface pressure, and a highly accurate single particle film cannot be obtained. It gets harder.

「単粒子膜形成工程」
滴下工程において分散液を下層液の液面に滴下すると、分散媒である溶剤が揮発するとともに、粒子が下層液の液面上に単層で展開し、粒子が二次元に密集した単粒子膜を形成することができる。
"Single particle film forming process"
When the dispersion liquid is dropped on the liquid surface of the lower layer liquid in the dropping step, the solvent which is the dispersion medium is volatilized, the particles are developed as a single layer on the liquid surface of the lower layer liquid, and the particles are densely packed in two dimensions. Can be formed.

この単粒子膜の形成は、粒子の自己組織化によるものである。その原理は、粒子が集結すると、粒子間に存在する分散媒に起因して表面張力が作用し、その結果、粒子同士はバラバラの状態で存在するのではなく、下層液の液面上で密集した単層構造を自動的に形成するというものである。このような表面張力による単層構造の形成は、別の表現をすると横方向の毛細管力による粒子同士の相互吸着ともいえる。例えば、同じ粒径の3つの球状粒子が水面上に浮いた状態で集まり接触すると、粒子群の喫水線の合計長を最小にするように表面張力が作用し、3つの粒子は正三角形を基本とする配置で安定化する。仮に、喫水線が粒子群の頂点にくる場合、すなわち、粒子が液面下に潜ってしまう場合には、このような自己組織化は起こらず、単粒子膜は形成されない。よって、粒子と下層液は、一方が疎水性である場合には他方を親水性にして、粒子群が液面下に潜ってしまわないようにすることが重要である。
下層液としては、以上の説明のように水を使用することが好ましく、水を使用すると、比較的大きな表面自由エネルギーが作用して、一旦生成した粒子の密集した単層構造が液面上に安定的に持続しやすくなる。
The formation of this single particle film is due to the self-organization of the particles. The principle is that when particles gather, surface tension acts due to the dispersion medium that exists between the particles, and as a result, the particles do not exist in a disjointed state, but are densely packed on the liquid surface of the underlying liquid. The single-layer structure is automatically formed. In other words, the formation of a single-layer structure by such surface tension can be said to be mutual adsorption between particles due to lateral capillary force. For example, when three spherical particles of the same particle size gather and contact while floating on the water surface, surface tension acts so as to minimize the total length of the waterline of the particle group, and the three particles are based on an equilateral triangle. Stabilize with the arrangement. If the waterline reaches the apex of the particle group, that is, if the particles go under the liquid surface, such self-organization does not occur and the single particle film is not formed. Therefore, it is important that the particles and the underlayer liquid are made hydrophilic when one is hydrophobic so that the particle group does not go under the liquid surface.
As described above, it is preferable to use water as the underlayer liquid, and when water is used, a relatively large surface free energy acts on it, and a single-layer structure in which particles once generated are densely formed is formed on the liquid surface. It becomes stable and easy to sustain.

単粒子膜形成工程は、超音波照射条件下で実施することが好ましい。下層液から水面に向けて超音波を照射しながら単粒子膜形成工程を行うと、粒子同士の相互吸着が促進され、各粒子がより高精度に二次元に密集した単粒子膜が得られる。
この際、超音波の出力は1〜1200Wが好ましく、50〜600Wがより好ましい。
超音波の周波数には特に制限はないが、例えば28kHz〜5MHzが好ましく、700kHz〜2MHzがより好ましい。振動数が高すぎると、水分子のエネルギー吸収が始まり、水面から水蒸気又は水滴が立ち上る現象が起きるため、LB法にとって好ましくない。振動数が低すぎると、下層液中のキャビテーション半径が大きくなり、水中に泡が発生して水面に向かって浮上してくる。このような泡が単粒子膜の下に集積すると、水面の平坦性が失われるためLB法にとって不都合となる。
超音波照射を行うと、水面に定常波が発生する。いずれの周波数でも出力が高すぎたり、超音波振動子と発信機のチューニング条件によって水面の波高が高くなりすぎたりすると、単粒子膜が水面波で破壊されるため気をつける必要がある。
The single particle film forming step is preferably carried out under ultrasonic irradiation conditions. When the single particle film forming step is performed while irradiating the water surface with ultrasonic waves from the lower layer liquid, mutual adsorption between the particles is promoted, and a single particle film in which each particle is densely packed in two dimensions with higher accuracy can be obtained.
At this time, the output of the ultrasonic wave is preferably 1 to 1200 W, more preferably 50 to 600 W.
The frequency of the ultrasonic wave is not particularly limited, but for example, 28 kHz to 5 MHz is preferable, and 700 kHz to 2 MHz is more preferable. If the frequency is too high, energy absorption of water molecules starts and a phenomenon of water vapor or water droplets rising from the water surface occurs, which is not preferable for the LB method. If the frequency is too low, the cavitation radius in the underlying liquid becomes large, and bubbles are generated in the water and rise toward the water surface. Accumulation of such bubbles under the single particle film is inconvenient for the LB method because the flatness of the water surface is lost.
When ultrasonic irradiation is performed, a standing wave is generated on the water surface. If the output is too high at any frequency, or if the wave height on the water surface becomes too high due to the tuning conditions of the ultrasonic transducer and transmitter, the single particle film will be destroyed by the water surface wave, so care must be taken.

以上のことに留意して超音波の周波数を適切に設定すると、形成されつつある単粒子膜を破壊することなく、効果的に粒子の密集を促進することができる。効果的な超音波照射を行うためには、粒子の粒径から計算される固有振動数を目安にするのが良い。しかし、粒径が例えば100nm以下等小さな粒子になると固有振動数は非常に高くなってしまうため、計算結果のとおりの超音波振動を与えるのは困難になる。このような場合は、粒子の2量体〜20量体程度までの質量に対応する固有振動を与えると仮定して計算を行うと、必要な振動数を現実的な範囲まで低減させることが出来る。粒子の会合体の固有振動数に対応する超音波振動を与えた場合でも、粒子の充填率向上効果は発現する。超音波の照射時間は、粒子の再配列が完了するのに十分であればよく、粒径、超音波の周波数、水温等によって所要時間が変化する。しかし通常の作成条件では10秒間〜60分間で行うのが好ましく、より好ましくは3分間〜30分間である。
超音波照射によって得られる利点は、粒子の高精度の密集化の他に、ナノ粒子分散液調製時に発生しやすい粒子の軟凝集体を破壊する効果、一度発生した点欠陥、線欠陥、又は結晶転移等をある程度修復する効果等がある。
If the frequency of the ultrasonic waves is appropriately set with the above in mind, it is possible to effectively promote the density of particles without destroying the single particle film that is being formed. In order to perform effective ultrasonic irradiation, it is better to use the natural frequency calculated from the particle size of the particles as a guide. However, when the particle size is as small as 100 nm or less, the natural frequency becomes very high, and it becomes difficult to apply ultrasonic vibration as the calculation result. In such a case, the required frequency can be reduced to a realistic range by performing the calculation on the assumption that the natural vibration corresponding to the mass of the dimer to the 20-mer of the particle is applied. .. Even when ultrasonic vibration corresponding to the natural frequency of the aggregate of particles is applied, the effect of improving the filling rate of particles is exhibited. The ultrasonic irradiation time may be sufficient to complete the rearrangement of the particles, and the required time varies depending on the particle size, the frequency of the ultrasonic waves, the water temperature, and the like. However, under normal production conditions, it is preferably carried out for 10 seconds to 60 minutes, more preferably 3 minutes to 30 minutes.
The advantages obtained by ultrasonic irradiation are, in addition to high-precision densification of particles, the effect of destroying soft agglomerates of particles that are likely to occur during the preparation of nanoparticle dispersions, point defects, line defects, or crystals that have occurred once. It has the effect of repairing metastasis to some extent.

「移行工程」
移行工程では、単粒子膜形成工程により液面上に形成された単粒子膜を、単層状態のまま原板上に移し取る。
原板は、表面に二次元格子構造が形成されていない以外は基板1と同様である。
単粒子膜を原板上に移し取る具体的な方法には特に制限はなく、例えば、疎水性の原板を単粒子膜に対して略平行な状態に保ちつつ、上方から降下させて単粒子膜に接触させ、ともに疎水性である単粒子膜と原板との親和力により、単粒子膜を原板に吸着移行させ、移し取る方法;単粒子膜を形成する前にあらかじめ水槽の下層液内に原板を略水平方向に配置しておき、単粒子膜を液面上に形成した後に液面を徐々に降下させることにより、原板上に単粒子膜を移し取る方法;等がある。
これらの方法によれば、特別な装置を使用せずに単粒子膜を原板上に移し取ることができるが、より大面積の単粒子膜であっても、複数の粒子が二次元に密集した単層膜の状態を維持したまま原板上に移し取りやすい点で、いわゆるLBトラフ法を採用することが好ましい(Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001)、Journal of Materials and Chemistry, Vol.12, 3268 (2002)等参照。)。
"Transition process"
In the transition step, the single particle film formed on the liquid surface by the single particle film forming step is transferred onto the original plate in the single layer state.
The original plate is the same as the substrate 1 except that a two-dimensional lattice structure is not formed on the surface.
The specific method for transferring the single particle film onto the original plate is not particularly limited. For example, the hydrophobic original plate is kept substantially parallel to the single particle film and lowered from above to form the single particle film. A method of adsorbing and transferring the single particle membrane to the original plate by the affinity between the single particle membrane and the original plate, which are both hydrophobic in contact with each other; There is a method of transferring the single particle film onto the original plate by arranging the single particle film in the horizontal direction, forming the single particle film on the liquid surface, and then gradually lowering the liquid level.
According to these methods, the single particle film can be transferred onto the original plate without using a special device, but even in a single particle film having a larger area, a plurality of particles are densely packed in two dimensions. It is preferable to adopt the so-called LB trough method because it is easy to transfer to the original plate while maintaining the state of the monolayer film (Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001), Journal of Materials and Chemistry, See Vol.12, 3268 (2002), etc.).

LBトラフ法では、水槽内の下層液に原板をあらかじめ略鉛直方向に浸漬しておき、その状態で上述の滴下工程と単粒子膜形成工程とを行い、単粒子膜を形成する。そして、単粒子膜形成工程後に、原板を上方に引き上げることによって、単粒子膜を原板上に移し取ることができる。
単粒子膜は、単粒子膜形成工程により下層液の液面上ですでに単層の状態に形成されているため、移行工程の温度条件(下層液の温度)や原板の引き上げ速度等が多少変動しても、移行工程において単粒子膜が崩壊して多層化する等のおそれはない。なお、下層液の温度は、通常、季節や天気により変動する環境温度に依存し、ほぼ3〜30℃程度である。
この際、水槽として、単粒子膜の表面圧を計測するウィルヘルミープレート等を原理とする表面圧力センサーと、単粒子膜を液面に沿う方向に圧縮する可動バリアとを具備するLBトラフ装置を使用すると、より大面積の単粒子膜をより安定に原板上に移し取ることができる。このような装置によれば、単粒子膜の表面圧を計測しながら、単粒子膜を好ましい拡散圧(密度)に圧縮でき、また、基板の方に向けて一定の速度で移動させることができる。そのため、単粒子膜の液面から原板上への移行が円滑に進行し、小面積の単粒子膜しか原板上に移行できない等のトラブルが生じにくい。
好ましい拡散圧は5〜80mNm−1であり、より好ましくは3〜40mNm−1である。このような拡散圧であると、各粒子がより高精度で二次元に密集した単粒子膜が得られやすい。原板を引き上げる速度は、0.5〜20mm/分が好ましい。なお、LBトラフ装置は、市販品として入手することができる。
In the LB trough method, the original plate is immersed in the lower layer liquid in the water tank in a substantially vertical direction in advance, and in that state, the above-mentioned dropping step and single particle film forming step are performed to form a single particle film. Then, after the single particle film forming step, the single particle film can be transferred onto the original plate by pulling the original plate upward.
Since the single particle film is already formed in a single layer state on the liquid surface of the lower layer liquid by the single particle film forming step, the temperature conditions (temperature of the lower layer liquid) in the transition step and the pulling speed of the original plate are somewhat different. Even if it fluctuates, there is no risk that the single particle film will collapse and become multi-layered in the transition process. The temperature of the lower layer liquid is usually about 3 to 30 ° C., depending on the environmental temperature that fluctuates depending on the season and the weather.
At this time, as a water tank, an LB trough device provided with a surface pressure sensor based on a Wilhelmy plate or the like for measuring the surface pressure of the single particle film and a movable barrier for compressing the single particle film in the direction along the liquid surface. Can be used to transfer a larger area single particle film onto the original plate more stably. According to such a device, the single particle film can be compressed to a preferable diffusion pressure (density) while measuring the surface pressure of the single particle film, and can be moved toward the substrate at a constant speed. .. Therefore, the transfer of the single particle film from the liquid surface to the original plate proceeds smoothly, and troubles such as only a small area single particle film being transferred to the original plate are unlikely to occur.
The preferred diffusion pressure is 5 to 80 mNm -1 , more preferably 3 to 40 mNm -1 . With such a diffusion pressure, it is easy to obtain a single particle film in which each particle is densely packed in two dimensions with higher accuracy. The speed at which the original plate is pulled up is preferably 0.5 to 20 mm / min. The LB trough device can be obtained as a commercially available product.

「固定工程」
移行工程で原板上に移行させた単粒子膜を原板に固定する固定工程を行うことで、後述のドライエッチング工程中に、単粒子膜を構成する粒子が原板の表面を移動したり単粒子膜が剥がれたりすることを抑制でき、より安定かつ高精度に原板をエッチングすることができる。
固定工程の方法としては、バインダーを使用する方法や焼結法が挙げられる。
バインダーを使用する方法では、バインダー溶液を、単粒子膜が形成された原板の表面に供給し、単粒子膜を構成する粒子と原板との間に浸透させる。
バインダーとしては、先に疎水化剤として例示した金属アルコキシドや一般の有機バインダー、無機バインダー等を使用できる。
バインダーの使用量は、単粒子膜の質量の0.001〜0.02質量倍が好ましい。このような範囲であれば、バインダーが多すぎて粒子間にバインダーが詰まってしまい、単粒子膜の精度に悪影響を与えるという問題を生じることなく、十分に粒子を固定することができる。バインダー溶液を多く供給してしまった場合には、バインダー溶液が浸透した後に、スピンコーターを使用したり、原板を傾けたりして、バインダー溶液の余剰分を除去すればよい。
バインダー溶液が浸透した後には、バインダーの種類に応じて、適宜加熱処理を行えばよい。金属アルコキシドをバインダーとして使用する場合には、40〜80℃で3〜60分間の条件で加熱処理することが好ましい。
"Fixing process"
By performing a fixing step of fixing the single particle film transferred onto the original plate in the transfer step, the particles constituting the single particle film move on the surface of the original plate or the single particle film during the dry etching process described later. Can be suppressed from peeling off, and the original plate can be etched more stably and with high accuracy.
Examples of the fixing step method include a method using a binder and a sintering method.
In the method using a binder, the binder solution is supplied to the surface of the original plate on which the single particle film is formed, and permeates between the particles constituting the single particle film and the original plate.
As the binder, a metal alkoxide exemplified above as a hydrophobic agent, a general organic binder, an inorganic binder, or the like can be used.
The amount of the binder used is preferably 0.001 to 0.02 mass times the mass of the single particle film. Within such a range, the particles can be sufficiently fixed without causing a problem that the amount of the binder is too large and the binder is clogged between the particles, which adversely affects the accuracy of the single particle film. When a large amount of the binder solution has been supplied, after the binder solution has permeated, a spin coater may be used or the original plate may be tilted to remove the excess of the binder solution.
After the binder solution has permeated, heat treatment may be appropriately performed according to the type of binder. When the metal alkoxide is used as a binder, it is preferably heat-treated at 40 to 80 ° C. for 3 to 60 minutes.

焼結法を採用する場合には、単粒子膜が形成された原板を加熱して、単粒子膜を構成している各粒子を原板に融着させればよい。
加熱温度は、粒子の材質および原板の材質に応じて決定すればよい。粒径が1μm以下の粒子の場合は、粒子を構成する材料本来の融点よりも低い温度で界面反応を開始するため、比較的低温側で焼結は完了する。加熱温度が高すぎると、粒子の融着面積が大きくなり、その結果、単粒子膜の形状が変化する等、精度に影響を与える可能性がある。
加熱を空気中で行うと、材質によっては、原板や粒子が酸化する可能性がある。例えば、原板としてシリコン基板を用い、これを1100℃で焼結すると、この基板の表面には約200nmの厚さで熱酸化層が形成される。そのため、後述のドライエッチング工程では、このような酸化の可能性を考慮して、エッチング条件を設定することが必要となる。
When the sintering method is adopted, the original plate on which the single particle film is formed may be heated to fuse each particle constituting the single particle film to the original plate.
The heating temperature may be determined according to the material of the particles and the material of the original plate. In the case of particles having a particle size of 1 μm or less, the interfacial reaction starts at a temperature lower than the original melting point of the material constituting the particles, so that the sintering is completed on the relatively low temperature side. If the heating temperature is too high, the fused area of the particles becomes large, and as a result, the shape of the single particle film may change, which may affect the accuracy.
When heating is performed in air, the original plate and particles may be oxidized depending on the material. For example, when a silicon substrate is used as the original plate and this is sintered at 1100 ° C., a thermal oxide layer is formed on the surface of the substrate with a thickness of about 200 nm. Therefore, in the dry etching process described later, it is necessary to set the etching conditions in consideration of the possibility of such oxidation.

<ドライエッチング工程>
ドライエッチング工程では、例えば、粒子と原板の双方が実質的にエッチングされる条件で、単粒子膜をエッチングマスクとして原板をドライエッチングする。
このようにしてドライエッチングを行うと、単粒子膜を構成している各粒子がエッチングされ、各粒子の粒径が徐々に小さくなり、ドライエッチング前は粒子同士が接していた部分にも隙間が形成され、粒子同士が接触していない状態になる。また、粒子間の隙間をエッチングガスが通り抜けて原板の表面に到達し、隙間の下方の位置にある原板表面がエッチングされて凹部が形成される。粒子で覆われている部分はエッチングされずに残り、この部分が凸部3cとなる。これにより、基板1が得られる。
原板をドライエッチングする前に、原板が実質的にエッチングされない条件で、粒子をドライエッチングしてもよい。
<Dry etching process>
In the dry etching step, for example, the original plate is dry-etched using the single particle film as an etching mask under the condition that both the particles and the original plate are substantially etched.
When dry etching is performed in this way, each particle constituting the single particle film is etched, the particle size of each particle gradually decreases, and there is a gap in the portion where the particles were in contact with each other before dry etching. It is formed and the particles are not in contact with each other. Further, the etching gas passes through the gap between the particles and reaches the surface of the original plate, and the surface of the original plate located below the gap is etched to form a recess. The portion covered with the particles remains unetched, and this portion becomes the convex portion 3c. As a result, the substrate 1 is obtained.
Before the original plate is dry-etched, the particles may be dry-etched under the condition that the original plate is not substantially etched.

ドライエッチング条件、例えば圧力、プラズマ電力、バイアス電力、エッチングガス種、エッチングガス流量、エッチング時間等を調節することによって、凸部3cの太さ(表面層における占有体積:フィリングファクター)、凸部3cの高さ(凹部の深さ)等を調節できる。 By adjusting the dry etching conditions such as pressure, plasma power, bias power, etching gas type, etching gas flow rate, etching time, etc., the thickness of the convex portion 3c (occupied volume in the surface layer: filling factor), the convex portion 3c Height (depth of recess) etc. can be adjusted.

エッチングガスとしては、粒子および原板の両方をエッチングできるように、粒子や基板の材質等に応じて公知のエッチングガスのなかから適宜選択できる。
例えば原板がガラスであり、粒子がシリカ(SiO)である場合、Ar、SF、F、CF、C、C、C、C、C、CHF、CH、CHF、C、Cl、CCl、SiCl、BCl、BCl、BC、Br、Br、HBr、CBrF、HCl、CH、NH、O、H、N、CO、CO等を使用できる。
原板Sが石英で、粒子がシリカである場合、ArやCF等を使用できる。
原板がサファイアで、粒子がシリカである場合、Cl、BCl、SiCl、HBr、HI、HCl等を使用できる。
エッチングガスは、1種を単独で用いてもよく2種以上を組み合わせて用いてもよい。2種以上のエッチングガスの混合比率等によってエッチング条件の調整が容易となる。
エッチングガスは、エッチングガス以外のガスで希釈されてもよい。
The etching gas can be appropriately selected from known etching gases according to the material of the particles and the substrate so that both the particles and the original plate can be etched.
For example, when the original plate is glass and the particles are silica (SiO 2 ), Ar, SF 6 , F 2 , CF 4 , C 4 F 8 , C 5 F 8 , C 2 F 6 , C 3 F 6 , C 4 F 6 , CHF 3 , CH 2 F 2 , CH 3 F, C 3 F 8 , Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 2 , BCl 3 , BC 2 , Br 2 , Br 3 , HBr, CBr F 3 , HCl, CH 4 , NH 3 , O 2 , H 2 , N 2 , CO, CO 2, etc. can be used.
When the original plate S is quartz and the particles are silica, Ar, CF 4, or the like can be used.
When the original plate is sapphire and the particles are silica, Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 , HBr, HI, HCl and the like can be used.
One type of etching gas may be used alone, or two or more types may be used in combination. The etching conditions can be easily adjusted by the mixing ratio of two or more kinds of etching gases.
The etching gas may be diluted with a gas other than the etching gas.

ドライエッチングは、原板の水平方向よりも垂直方向のエッチング速度が大きくなる異方性エッチングで行うことが好ましい。使用可能なエッチング装置としては、反応性イオンエッチング装置、イオンビームエッチング装置等の異方性エッチングが可能なものであって、最小で20W程度のバイアス電場を発生できるものであれば、プラズマ発生の方式、電極の構造、チャンバーの構造、高周波電源の周波数等の仕様には特に制限ない。 The dry etching is preferably performed by anisotropic etching in which the etching rate in the vertical direction is higher than that in the horizontal direction of the original plate. As the etching apparatus that can be used, if it is capable of anisotropic etching such as a reactive ion etching apparatus and an ion beam etching apparatus and can generate a bias electric field of about 20 W at the minimum, plasma generation is generated. There are no particular restrictions on the specifications such as the method, electrode structure, chamber structure, and frequency of the high-frequency power supply.

ドライエッチングにおけるエッチング選択比(原板のエッチング速度/単粒子膜のエッチング速度)は、特に制限されず、エッチングの各条件(単粒子膜を構成する粒子の材質、原板の材質、エッチングガスの種類、バイアス電力、アンテナ電力、ガス流量、圧力、エッチング時間等)により調整できる。 The etching selectivity (etching rate of the original plate / etching rate of the single particle film) in dry etching is not particularly limited, and each etching condition (material of particles constituting the single particle film, material of the original plate, type of etching gas, etc.) It can be adjusted by bias power, antenna power, gas flow rate, pressure, etching time, etc.).

原板のドライエッチングは、単粒子膜を構成する粒子が消失したときに終了してもよく、該粒子が消失する前に終了してもよい。
粒子が消失する前に原板のドライエッチングを終了した場合、原板のドライエッチングの後、形成された基板1上に残留する粒子を除去する。
粒子の除去方法としては、粒子に対してエッチング性があり、基板1に対して耐エッチング性があるエッチャントを用いる化学的除去方法、ブラシロール洗浄機等による物理的除去方法等が挙げられる。
The dry etching of the original plate may be completed when the particles constituting the single particle film disappear, or may be completed before the particles disappear.
When the dry etching of the original plate is completed before the particles disappear, the particles remaining on the formed substrate 1 are removed after the dry etching of the original plate.
Examples of the particle removing method include a chemical removing method using an etchant having etching resistance to the particles and etching resistance to the substrate 1, a physical removing method using a brush roll washing machine or the like, and the like.

上記のようにして、原版が得られる。
原版の転写品は、原版表面の二次元格子構造を1回以上、他の原板に転写して得られる。転写回数が奇数回であると、原版表面の二次元格子構造が反転した形状の二次元格子構造を有する転写品が得られる。転写回数が偶数回であると、原版表面の二次元格子構造と同様の形状の二次元格子構造を有する転写品が得られる。
例えば、原版表面の二次元格子構造を、モールド(金型又はスタンパー)に転写し(1回目の転写)、次いでモールドの二次元格子構造を転写する(2回目の転写)と、原版表面の二次元格子構造と同様の形状の二次元格子構造を有する転写品が得られる。
原板Sの二次元格子構造を、モールド(金型又はスタンパー)に転写する方法は、例えば特開2009−158478号公報に開示されているような電鋳法が好ましい。
モールドの二次元格子構造を転写する方法としては、例えば特開2009−158478号公報に開示されているような、ナノインプリント法、熱プレス法、射出成型法、UVエンボス法等が挙げられる。中でもナノインプリント法は、微細な二次元格子構造の転写に適している。
The original version is obtained as described above.
The transfer product of the original plate is obtained by transferring the two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate to another original plate at least once. When the number of transfers is an odd number, a transferred product having a two-dimensional lattice structure in which the two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate is inverted can be obtained. When the number of transfers is an even number, a transferred product having a two-dimensional lattice structure having a shape similar to the two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate can be obtained.
For example, when the two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate is transferred to the mold (mold or stamper) (first transfer), and then the two-dimensional lattice structure of the mold is transferred (second transfer), the two-dimensional lattice structure on the surface of the original plate is transferred. A transferred product having a two-dimensional lattice structure having a shape similar to that of the dimensional lattice structure can be obtained.
As a method for transferring the two-dimensional lattice structure of the original plate S to a mold (mold or stamper), for example, an electroforming method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-158478 is preferable.
Examples of the method for transferring the two-dimensional lattice structure of the mold include a nanoimprint method, a heat press method, an injection molding method, a UV embossing method and the like as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-158478. Above all, the nanoimprint method is suitable for transferring a fine two-dimensional lattice structure.

(作用効果)
本実施形態の分析用基板10にあっては、これを分光測定に用いたときに、金属膜3と金属ナノ粒子5との間、隣り合う金属ナノ粒子5の間それぞれにおいて入射光による局在型表面プラズモン共鳴が発生し、電場の重ねあわせによる非線形光学的電場増強効果を得ることができる。また連続膜である金属膜3の表面に二次元格子構造を有することで、伝播型表面プラズモン共鳴による電場増強効果を得ることができる。2〜3種の金属間隙における局在型表面プラズモン共鳴と1種の金属格子構造による伝播型表面プラズモン共鳴とが組み合わさることで、電場増強効果を利用した光学的分析を高感度に実施できる。
特に、金属膜3が態様Aの金属膜3Aである場合には、金属膜3の非成膜領域Gでも局在型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させることができ、電場増強を利用した光学的分析をより高感度に実施できる。
分析用基板10は生産性にも優れる。例えば、製造方法(I)に示したように、基板1B上に金属を堆積させ、さらに金属ナノ粒子分散液を塗布し乾燥するだけで製造できる。また、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得る構造を形成するために多量の金属を用いる必要がなく、原料コストを抑制できる。
上記効果を奏することから、分析用基板10は、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析に有用である。かかる光学的分析法としては、前記と同様のものが挙げられる。
(Action effect)
In the analysis substrate 10 of the present embodiment, when it is used for spectroscopic measurement, it is localized by incident light between the metal film 3 and the metal nanoparticles 5 and between the adjacent metal nanoparticles 5. Mold surface plasmon resonance is generated, and a nonlinear optical electric field enhancement effect can be obtained by superimposing electric fields. Further, by having a two-dimensional lattice structure on the surface of the metal film 3 which is a continuous film, it is possible to obtain an electric field enhancing effect by propagating surface plasmon resonance. By combining localized surface plasmon resonance in 2 to 3 kinds of metal gaps and propagation type surface plasmon resonance by one kind of metal lattice structure, optical analysis utilizing the electric field enhancing effect can be performed with high sensitivity.
In particular, when the metal film 3 is the metal film 3A of the aspect A, the electric field enhancement due to the localized surface plasmon resonance can be generated even in the non-deposition region G of the metal film 3, and the optical field enhancement utilizing the electric field enhancement can be generated. Target analysis can be performed with higher sensitivity.
The analysis substrate 10 is also excellent in productivity. For example, as shown in the production method (I), it can be produced simply by depositing a metal on the substrate 1B, further applying a metal nanoparticle dispersion liquid, and drying. In addition, it is not necessary to use a large amount of metal to form a structure capable of generating an electric field enhancement due to localized surface plasmon resonance, and the raw material cost can be suppressed.
Since the above effects are obtained, the analysis substrate 10 is useful for optical analysis utilizing the electric field enhancement by surface plasmon resonance. Examples of such an optical analysis method include the same methods as described above.

上記効果を奏することから、分析用基板10は、表面プラズモン共鳴による電場増強効果を利用した光学的分析に有用である。
かかる光学的分析法としては、例えばラマン分光分析法、赤外分光法、蛍光分析等が挙げられる。これらの中でも、ラマン分光分析法が好適である。
ラマン分光分析法とは、試料に光を照射したときに、入射光に対して分子の振動エネルギーだけシフトしたラマン散乱を観測し、分子レベルの構造を解析する分析手段である。得られたラマンスペクトルは、赤外分光法で得られる赤外スペクトルと同様に、分子の振動に基づく振動スペクトルであり、縦軸は散乱強度(Intensity)、横軸はラマンシフト(cm−1)で表される。ラマン分光分析法と赤外分光分析法とでは同じ官能基の振動モードが同じ波数に検出されるが、赤外分光分析法と異なりラマン分光分析法は水系サンプルの測定が可能であるため、生体試料、食品試料等の分析などにおいて試料の前処理が必要ないなどの利点を有する。しかしながら、表面電場増強を行わない通常のラマン分光分析法は、ラマン散乱光の強度が非常に弱いのが欠点であった。
表面増強ラマン分光分析法とは、SERSを利用したラマン分光分析法である。分析用基板10にあっては、分析用基板10表面に吸着した分子のラマン散乱(ストークス散乱およびアンチストークス散乱)強度をSERS効果によって著しく増強させることができるので、高感度分光分析が可能となる。実際には、希薄な微量検体においても、物質固有のスペクトルを検出することが可能となるため、環境測定、微量なバイオマーカーの測定、生物・化学兵器の検出等に有用である。
Since the above effects are obtained, the analysis substrate 10 is useful for optical analysis utilizing the electric field enhancing effect due to surface plasmon resonance.
Examples of such an optical analysis method include Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, fluorescence analysis and the like. Among these, Raman spectroscopy is preferable.
The Raman spectroscopic analysis method is an analytical means for analyzing the structure at the molecular level by observing Raman scattering in which the vibrational energy of the molecule is shifted with respect to the incident light when the sample is irradiated with light. The obtained Raman spectrum is a vibration spectrum based on the vibration of molecules, similar to the infrared spectrum obtained by infrared spectroscopy. The vertical axis is scattering intensity (Intensity), and the horizontal axis is Raman shift (cm -1 ). It is represented by. The same functional group vibration mode is detected at the same frequency in Raman spectroscopic analysis and infrared spectroscopic analysis, but unlike infrared spectroscopic analysis, Raman spectroscopic analysis can measure aqueous samples, so it is a living body. It has the advantage that pretreatment of the sample is not required in the analysis of samples, food samples, etc. However, the usual Raman spectroscopic analysis method that does not enhance the surface electric field has a drawback that the intensity of Raman scattered light is very weak.
The surface-enhanced Raman spectroscopic analysis method is a Raman spectroscopic analysis method using SERS. In the analysis substrate 10, the Raman scattering (Stokes scattering and anti-Stokes scattering) intensity of the molecules adsorbed on the surface of the analysis substrate 10 can be remarkably enhanced by the SERS effect, so that high-sensitivity spectroscopic analysis becomes possible. .. In fact, since it is possible to detect a spectrum peculiar to a substance even in a dilute trace sample, it is useful for environmental measurement, measurement of a trace amount of biomarker, detection of biological / chemical weapons, and the like.

以上、実施形態を示して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上記実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。 Although the present invention has been described above with reference to embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. Each configuration in the above embodiment and a combination thereof are examples, and the configuration can be added, omitted, replaced, and other changes are possible without departing from the spirit of the present invention.

例えば、図4には、非成膜領域Gの上面視での形状が帯状である例を示したが、非成膜領域Gの上面視での形状はこれに限定されるものではなく、他の形状、例えば円形状、矩形状、樹形状、不定形状等であってもよい。
複数の非成膜領域Gそれぞれの形状や大きさや分布がランダムである(一定ではない)例を示したが、複数の非成膜領域Gそれぞれの形状や大きさが一定であってもよい。複数の非成膜領域Gが規則的に配列していてもよい。
図5には、非成膜領域Gを囲む金属表面3aが傾斜面である例を示したが、金属表面3aは非傾斜面であってもよい。また、金属表面3aは平滑面であっても凹凸面であってもよい。
金属膜が、基板の第一面上に金属を堆積させる方法(スパッタリング法や真空蒸着法等)により形成された金属膜である場合、非成膜領域Gを囲む金属表面は、局所的に傾斜面であり、また凹凸面であることが多い。
For example, FIG. 4 shows an example in which the shape of the non-deposited region G in the top view is strip-shaped, but the shape of the non-deposited region G in the top view is not limited to this. The shape may be, for example, a circular shape, a rectangular shape, a tree shape, an indefinite shape, or the like.
Although the shape, size, and distribution of each of the plurality of non-deposited regions G are random (not constant), the shape, size, and size of each of the plurality of non-deposited regions G may be constant. A plurality of non-deposited regions G may be regularly arranged.
Although FIG. 5 shows an example in which the metal surface 3a surrounding the non-deposited region G is an inclined surface, the metal surface 3a may be an inclined surface. Further, the metal surface 3a may be a smooth surface or an uneven surface.
When the metal film is a metal film formed by a method of depositing metal on the first surface of a substrate (sputtering method, vacuum deposition method, etc.), the metal surface surrounding the non-deposited region G is locally inclined. It is a surface and is often an uneven surface.

以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。実施例2は参考例である。
各例で用いた測定方法を以下に示す。なお、周期的凹凸構造の凸部の高さ及びピッチの測定方法は前記の通りである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Example 2 is a reference example.
The measurement method used in each example is shown below. The method for measuring the height and pitch of the convex portion of the periodic uneven structure is as described above.

(金属膜表面のシート抵抗)
一般的な導通試験に用いる抵抗率計(ロレスタAX MCP−T370)にてシート抵抗測定を行った。金属構造体を構成する金属膜は非常に薄いので、抵抗率計のプローブは薄膜測定用のPSPオプションプローブ (MCP−TP06P)ピン間1.5mmを使用して、n=5以上の平均値により測定値(Ω/□)を取得した。
(Sheet resistance on the surface of metal film)
Sheet resistance was measured with a resistivity meter (Loresta AX MCP-T370) used in a general continuity test. Since the metal film constituting the metal structure is very thin, the resistivity meter probe uses a PSP option probe (MCP-TP06P) 1.5 mm between pins for thin film measurement, and an average value of n = 5 or more is used. The measured value (Ω / □) was acquired.

(非成膜領域Gを介して対向する金属表面間の距離)
金属膜3は、金属膜と金属膜中に散在する非成膜領域Gから構成される海島構造(海島構造の海(金属=成膜領域)に対する島(非成膜領域Gにおける間隙)よりなる)を構成しており、金属表面3a間の距離は以下の測定方法によって測定した。
すなわち、金属膜3の表面において互いに100μm以上離れた5箇所から倍率20万倍で0.6μm×0.45μmの領域のSEM像を取得し、それぞれのSEM像において非成膜領域G部分の測長を行う。この倍率におけるSEM像では輪郭が不鮮明になる場合があるため、SEM像取得後にAdobe Photoshopまたは同等の機能を有する画像処理ソフトウェアを使用して、画像のコントラストを強調するか、或いは画像の濃淡を2値化して測長を容易にする。ここで、非成膜領域G部分の短軸方向の間隙をナノギャップと呼ぶ。ナノギャップにおける間隙の測長は、先ず上記のようにして得たSEM像に対角線Lを2本引き、対角線が交差する全ての非成膜領域G部分に関して短軸方向のギャップ幅を測長する。測長は上記対角線が各非成膜領域Gと交差する交差点において行うが、具体的には、上記対角線がある非成膜領域Gと成す交差距離の1/2の点Pを定義し、かつ上記点Pを通りつつ最も短い距離で非成膜領域Gを2分割する直線Lを引き、最後に直線Lが非成膜領域Gを通過する距離Iを測長する。Iの測長を上記5箇所のSEM像について行い、全ての測定値の平均値を求めたものを非成膜領域Gのナノギャップの平均値IGAVEとする。この平均値IGAVEを金属表面3a間の距離とする。
(Distance between opposing metal surfaces via the non-deposition region G)
The metal film 3 is composed of a sea-island structure composed of a metal film and non-deposited regions G scattered in the metal film (islands (gap in the non-deposited region G) with respect to the sea (metal = film-formed region) of the sea-island structure). ), And the distance between the metal surfaces 3a was measured by the following measuring method.
That is, SEM images of a region of 0.6 μm × 0.45 μm at a magnification of 200,000 times are obtained from five locations on the surface of the metal film 3 separated from each other by 100 μm or more, and the non-deposited region G portion is measured in each SEM image. Do the length. Since the outline of the SEM image at this magnification may be unclear, use Adobe Photoshop or image processing software having the same function after acquiring the SEM image to enhance the contrast of the image or to increase the shade of the image by 2. Value it to facilitate length measurement. Here, the gap in the minor axis direction of the non-deposited region G portion is called a nanogap. Measurement gaps in the nanogap, first two arguments diagonal L D in the SEM image obtained as described above, all the non-deposition region G moiety regard measuring the gap width in the minor axis direction of the diagonal lines do. The length measurement is performed at the intersection where the diagonal line intersects each non-deposited region G. Specifically, the point P which is 1/2 of the intersection distance formed by the diagonal line intersecting the non-deposited region G is defined and drawing a straight line L G that 2 divides the non-deposition region G in the shortest distance, while as the point P, and measuring the distance I G of the last straight line L G passes through the non-deposition region G. The measurement of I G performs the SEM images of 5 places above, the average value I GAVE nanogap all non film formation region G ones determined an average value of the measured values. This average value I GAVE is defined as the distance between the metal surfaces 3a.

(金属膜の厚さ(成膜領域の平均厚さ))
金属膜3の厚さ(成膜領域の平均厚さ)は、前述の方法により測定した。すなわち、基板上に成膜してある金属膜3に対して、鋭利なナイフの先で非常に細い傷(スクラッチ)をつけ、その傷を含む領域を触針式段差計(微細形状測定機ET4000A、小坂研究所)にて測定し、傷の底面(基板が露出している箇所)と金属膜3の表面との平均的な高低差を求める方法により、金属膜3の平均厚さを測定した。
なお、実施例では触針式段差系を使用したが、原子間力顕微鏡(AFM)像を取得して同様に基板が露出している部分と金属膜3の表面との平均的な高低差を求めても同様の結果を得ることができる。
(Thickness of metal film (average thickness of film formation area))
The thickness of the metal film 3 (average thickness of the film-forming region) was measured by the method described above. That is, a very fine scratch (scratch) is made on the metal film 3 formed on the substrate with the tip of a sharp knife, and the area including the scratch is covered with a stylus type step meter (fine shape measuring machine ET4000A). , Kosaka Laboratory), and the average thickness of the metal film 3 was measured by a method of determining the average height difference between the bottom surface of the scratch (the part where the substrate is exposed) and the surface of the metal film 3. ..
Although a stylus type step system was used in the examples, the average height difference between the exposed portion of the substrate and the surface of the metal film 3 was obtained by acquiring an atomic force microscope (AFM) image. The same result can be obtained even if it is obtained.

(金属ナノ粒子の平均一次粒子径)
金属ナノ粒子の平均一次粒子径は、前述の方法により測定した。すなわち、SEMを用い、倍率20万倍にて分析用基板の表面を観察して金属ナノ粒子の一次粒子径を測長し、n=20の平均値を算出し、その値を平均一次粒子径とした。
(Average primary particle size of metal nanoparticles)
The average primary particle size of the metal nanoparticles was measured by the method described above. That is, using SEM, the surface of the analysis substrate is observed at a magnification of 200,000 times, the primary particle diameter of the metal nanoparticles is measured, the average value of n = 20 is calculated, and the value is used as the average primary particle diameter. And said.

(隣り合う2つの金属ナノ粒子間の最短距離)
隣り合う2つの金属ナノ粒子間の最短距離は、前述の方法により測定した。すなわち、SEMを用い、倍率20万倍にて分析用基板の表面を観察し、像中で隣り合う2つの金属ナノ粒子の間隙を実測し、n=20の平均値を算出し、その値を前記最短距離とした。
(Shortest distance between two adjacent metal nanoparticles)
The shortest distance between two adjacent metal nanoparticles was measured by the method described above. That is, using SEM, the surface of the analysis substrate is observed at a magnification of 200,000, the gap between two adjacent metal nanoparticles in the image is actually measured, the average value of n = 20 is calculated, and the value is calculated. The shortest distance was used.

(ラマン散乱強度の測定)
分析用基板の表面(金属膜、金属ナノ粒子等を設けた面)に濃度100μMの4、4’−ビピリジル水溶液5μLを滴下し、ラマン分光光度計(Almega XR、サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を用いてそれぞれラマンスペクトルの測定を行った。励起波長780nm、出力10mWのレーザーを光源とし、検出ピーク1607cm−1の強度(Intensity)で各測定値を比較した。ラマン条件は、レーザー出力を100%、アパーチャを径100μmのピンホール、露光回数を64回とした。
(Measurement of Raman scattering intensity)
A Raman spectrophotometer (Almega XR, Thermo Fisher Scientific Co., Ltd.) was added by dropping 5 μL of a 4,4'-bipyridyl aqueous solution having a concentration of 100 μM on the surface of the analysis substrate (the surface provided with the metal film, metal nanoparticles, etc.). Raman spectra were measured using each. Using a laser with an excitation wavelength of 780 nm and an output of 10 mW as a light source, each measured value was compared with an intensity of a detection peak of 1607 cm-1. The Raman conditions were a laser output of 100%, an aperture of a pinhole with a diameter of 100 μm, and an exposure count of 64 times.

(実施例1)
図1に示した分析用基板10と同様の構成であって金属膜3が態様Aの金属膜3Aである分析用基板を以下の手順で製造した。
粒径600nmのコロイダルシリカ粒子を石英基板上に以下に述べるLB法によって単層コーティングした。先ず、疎水化剤としてN−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシランをシリカ粒子スラリーに添加し、反応温度40℃にて疎水化を行った。その後、エタノール:クロロホルム=30:70の混合溶媒を使用して、疎水化したシリカ粒子を油層抽出した。次に21℃、pH7.2の下層水の水面に、上記疎水化粒子スラリーを滴下して行き、水面上に粒子単層膜を形成した。さらにバリアにて粒子単層膜を圧縮しながら、水中に予め浸漬しておいた清浄で平坦な石英基板を5mm/minにて徐々に引き上げ、水面の粒子単層膜を石英基板上に移し取った。その後、ドライエッチング装置(東京エレクトロン社製ME510I)を使用して、1.2Pa、2000/1800W、Cl=80sccm、100secの条件でドライエッチングを行い、構造周期(ピッチ)600nm、構造高さ(3つの粒子の中心点から構造頂部までの垂直距離)52nmの周期的凹凸構造を得た。さらにスパッタリング装置(イオンスパッタ装置E−1030、日立ハイテクノロジーズ)を使用し、この周期的凹凸構造上にAu薄膜を圧力6〜8Pa、電流値15mA、成膜速度11.6nm/minにて5.8nm厚さまで成膜した。最後に、Au薄膜上にAuナノ粒子分散液(粒径20nm)をスプレー塗布し乾燥させる工程を3回繰り返すことで、Auナノ粒子を基板上に分散配置した。
図6に、得られた分析用基板のSEM像を示す。
(Example 1)
An analytical substrate having the same configuration as the analytical substrate 10 shown in FIG. 1 and in which the metal film 3 is the metal film 3A of aspect A was manufactured by the following procedure.
Colloidal silica particles having a particle size of 600 nm were coated on a quartz substrate with a single layer by the LB method described below. First, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane was added to the silica particle slurry as a hydrophobizing agent, and hydrophobization was carried out at a reaction temperature of 40 ° C. Then, the hydrophobized silica particles were extracted in an oil layer using a mixed solvent of ethanol: chloroform = 30:70. Next, the hydrophobic particle slurry was dropped onto the surface of the lower water at 21 ° C. and pH 7.2 to form a particle monolayer film on the water surface. Further, while compressing the particle monolayer film with a barrier, the clean and flat quartz substrate pre-immersed in water is gradually pulled up at 5 mm / min, and the particle monolayer film on the water surface is transferred onto the quartz substrate. rice field. Then, using a dry etching apparatus (ME510I manufactured by Tokyo Electron Limited) , dry etching was performed under the conditions of 1.2 Pa, 2000/1800 W, Cl 2 = 80 sccm, 100 sec, and the structural period (pitch) was 600 nm and the structural height (structure height) ( A periodic uneven structure of 52 nm (vertical distance from the center point of the three particles to the top of the structure) was obtained. Furthermore, using a sputtering device (ion sputtering device E-1030, Hitachi High-Technologies Corporation), an Au thin film was applied onto this periodic uneven structure at a pressure of 6 to 8 Pa, a current value of 15 mA, and a film formation rate of 11.6 nm / min. A film was formed to a thickness of 8 nm. Finally, Au nanoparticles were dispersed and arranged on the substrate by repeating the steps of spray-coating and drying the Au nanoparticle dispersion liquid (particle size 20 nm) on the Au thin film three times.
FIG. 6 shows an SEM image of the obtained analytical substrate.

(実施例2)
図1に示した分析用基板10と同様の構成であって金属膜3が態様Bの金属膜3Bである分析用基板を以下の手順で製造した。
粒径600nmのコロイダルシリカ粒子を石英基板上に以下に述べるLB法によって単層コーティングした。先ず、疎水化剤としてN−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシランをシリカ粒子スラリーに添加し、反応温度40℃にて疎水化を行った。その後、エタノール:クロロホルム=30:70の混合溶媒を使用して、疎水化したシリカ粒子を油層抽出した。次に21℃、pH7.2の下層水の水面に、上記疎水化粒子スラリーを滴下して行き、水面上に粒子単層膜を形成した。さらにバリアにて粒子単層膜を圧縮しながら、水中に予め浸漬しておいた清浄で平坦な石英基板を5mm/minにて徐々に引き上げ、水面の粒子単層膜を石英基板上に移し取った。その後、ドライエッチング装置(東京エレクトロン社製ME510I)を使用して、1.2Pa、2000/1800W、Cl=80sccm、100secの条件でドライエッチングを行い、構造周期(ピッチ)600nm、構造高さ(3つの粒子の中心点から構造頂部までの垂直距離)52nmの周期的凹凸構造を得た。さらにスパッタリング装置(イオンスパッタ装置E−1030、日立ハイテクノロジーズ)を使用し、この周期的凹凸構造上にAu薄膜を圧力6〜8Pa、電流値15mA、成膜速度11.6nm/minにて81.0nm厚さまで成膜した。最後に、Au薄膜上にAuナノ粒子分散液(粒径20nm)をスプレー塗布し乾燥させる工程を3回繰り返すことで、Auナノ粒子を基板上に分散配置した。
図7に、得られた分析用基板のSEM像を示す。
(Example 2)
An analytical substrate having the same structure as the analytical substrate 10 shown in FIG. 1 and in which the metal film 3 is the metal film 3B of aspect B was manufactured by the following procedure.
Colloidal silica particles having a particle size of 600 nm were coated on a quartz substrate with a single layer by the LB method described below. First, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane was added to the silica particle slurry as a hydrophobizing agent, and hydrophobization was carried out at a reaction temperature of 40 ° C. Then, the hydrophobized silica particles were extracted in an oil layer using a mixed solvent of ethanol: chloroform = 30:70. Next, the hydrophobic particle slurry was dropped onto the surface of the lower water at 21 ° C. and pH 7.2 to form a particle monolayer film on the water surface. Further, while compressing the particle monolayer film with a barrier, the clean and flat quartz substrate pre-immersed in water is gradually pulled up at 5 mm / min, and the particle monolayer film on the water surface is transferred onto the quartz substrate. rice field. Then, using a dry etching apparatus (ME510I manufactured by Tokyo Electron Limited) , dry etching was performed under the conditions of 1.2 Pa, 2000/1800 W, Cl 2 = 80 sccm, 100 sec, and the structural period (pitch) was 600 nm and the structural height (structure height) ( A periodic uneven structure of 52 nm (vertical distance from the center point of the three particles to the top of the structure) was obtained. Further, using a sputtering apparatus (ion sputtering apparatus E-1030, Hitachi High-Technologies Corporation), an Au thin film was applied onto this periodic uneven structure at a pressure of 6 to 8 Pa, a current value of 15 mA, and a film formation rate of 11.6 nm / min. A film was formed to a thickness of 0 nm. Finally, Au nanoparticles were dispersed and arranged on the substrate by repeating the steps of spray-coating and drying the Au nanoparticle dispersion liquid (particle size 20 nm) on the Au thin film three times.
FIG. 7 shows an SEM image of the obtained analytical substrate.

(比較例1)
金属膜も金属粒子も付与せず、何も表面に付着していない清浄な表面を有する、平坦な石英基板を準備した。
(Comparative Example 1)
A flat quartz substrate having a clean surface with no metal film or metal particles attached to the surface was prepared.

(比較例2)
金属膜も金属粒子も付与せず、何も表面に付着していない清浄な表面を有する、平坦な石英基板を準備した。その後、基板上にAuナノ粒子分散液(粒径20nm)をスプレー塗布し乾燥させる工程を3回繰り返すことで、実施例1〜2と同様の散布密度にてAuナノ粒子を基板上に分散配置した。
(Comparative Example 2)
A flat quartz substrate having a clean surface with no metal film or metal particles attached to the surface was prepared. Then, by repeating the process of spray-coating the Au nanoparticle dispersion liquid (particle size 20 nm) on the substrate and drying it three times, Au nanoparticles are dispersed and arranged on the substrate at the same spray density as in Examples 1 and 2. bottom.

(比較例3)
粒径600nmのコロイダルシリカ粒子を石英基板上に以下に述べるLB法によって単層コーティングした。先ず、疎水化剤としてN−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシランをシリカ粒子スラリーに添加し、反応温度40℃にて疎水化を行った。その後、エタノール:クロロホルム=30:70の混合溶媒を使用して、疎水化したシリカ粒子を油層抽出した。次に21℃、pH7.2の下層水の水面に、上記疎水化粒子スラリーを滴下して行き、水面上に粒子単層膜を形成した。さらにバリアにて粒子単層膜を圧縮しながら、水中に予め浸漬しておいた清浄で平坦な石英基板を5mm/minにて徐々に引き上げ、水面の粒子単層膜を石英基板上に移し取った。その後、ドライエッチング装置(東京エレクトロン社製ME510I)を使用して、1.2Pa、2000/1800W、Cl=80sccm、100secの条件でドライエッチングを行い、構造周期(ピッチ)600nm、構造高さ(3つの粒子の中心点から構造頂部までの垂直距離)52nmの周期的凹凸構造を得た。さらにスパッタリング装置(イオンスパッタ装置E−1030、日立ハイテクノロジーズ)を使用し、この周期的凹凸構造上にAu薄膜を圧力6〜8Pa、電流値15mA、成膜速度11.6nm/minにて44.2nm厚さまで成膜した。
(Comparative Example 3)
Colloidal silica particles having a particle size of 600 nm were coated on a quartz substrate with a single layer by the LB method described below. First, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane was added to the silica particle slurry as a hydrophobizing agent, and hydrophobization was carried out at a reaction temperature of 40 ° C. Then, the hydrophobized silica particles were extracted in an oil layer using a mixed solvent of ethanol: chloroform = 30:70. Next, the hydrophobic particle slurry was dropped onto the surface of the lower water at 21 ° C. and pH 7.2 to form a particle monolayer film on the water surface. Further, while compressing the particle monolayer film with a barrier, the clean and flat quartz substrate pre-immersed in water is gradually pulled up at 5 mm / min, and the particle monolayer film on the water surface is transferred onto the quartz substrate. rice field. Then, using a dry etching apparatus (ME510I manufactured by Tokyo Electron Limited) , dry etching was performed under the conditions of 1.2 Pa, 2000/1800 W, Cl 2 = 80 sccm, 100 sec, and the structural period (pitch) was 600 nm and the structural height (structure height) ( A periodic uneven structure of 52 nm (vertical distance from the center point of the three particles to the top of the structure) was obtained. Furthermore, using a sputtering device (ion sputtering device E-1030, Hitachi High-Technologies Corporation), an Au thin film was applied onto this periodic uneven structure at a pressure of 6 to 8 Pa, a current value of 15 mA, and a film formation rate of 11.6 nm / min. A film was formed to a thickness of 2 nm.

実施例1〜2および比較例1〜3の分析用基板を用い、ラマン散乱強度の測定を行った。結果を表1に示す。 The Raman scattering intensity was measured using the analytical substrates of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3. The results are shown in Table 1.

Figure 0006954152
Figure 0006954152

比較例1および比較例2の分析用基板では、ラマン散乱を検出できなかった。また、比較例3の分析用基板では、ラマン散乱を検出できたが、その強度はすべての実施例の強度より低い値となった。
これに対し、実施例1〜2の分析用基板では、試料濃度100μMにおけるラマン散乱が各々高強度で得られており、試料濃度1nMという低濃度の試料でもラマン散乱を検出することができた。
Raman scattering could not be detected on the analytical substrates of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Further, in the analytical substrate of Comparative Example 3, Raman scattering could be detected, but the intensity was lower than the intensity of all the examples.
On the other hand, in the analytical substrates of Examples 1 and 2, Raman scattering at a sample concentration of 100 μM was obtained with high intensity, and Raman scattering could be detected even in a sample having a sample concentration of 1 nM.

1 基板
3,3A 金属膜
5 金属ナノ粒子
10 分析用基板
G 非成膜領域
1 Substrate 3,3A Metal film 5 Metal nanoparticles 10 Analytical substrate G Non-deposition area

Claims (2)

少なくとも第一面が誘電体または半導体からなり、前記第一面に、複数の凹部または凸部が周期的に二次元に配列した二次元格子構造を有する基板と、
前記基板の第一面上に設けられた、25℃における表面のシート抵抗が3〜5000Ω/□である金属膜と、
前記金属膜上に分散配置された、平均一次粒子径が5〜100nmである複数の金属ナノ粒子と、
を備え
前記金属膜が、前記金属膜内に長軸方向の長さが1μm以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず前記基板の第一面が露出している複数の非成膜領域を有する連続膜である、分析用基板。
A substrate having a two-dimensional lattice structure in which at least the first surface is made of a dielectric or a semiconductor and a plurality of concave portions or convex portions are periodically arranged two-dimensionally on the first surface.
A metal film provided on the first surface of the substrate and having a surface sheet resistance of 3 to 5000 Ω / □ at 25 ° C.
A plurality of metal nanoparticles having an average primary particle size of 5 to 100 nm dispersed and arranged on the metal film, and
Equipped with a,
A plurality of non-formed metal films in which the metal film is provided in the metal film as an island-shaped gap having a length of 1 μm or less in the major axis direction, in which no metal is present and the first surface of the substrate is exposed. Ru continuous film der having a membrane area substrate for analysis.
前記二次元格子構造が、三角格子構造または正方格子構造である、請求項1に記載の分析用基板。 The analytical substrate according to claim 1, wherein the two-dimensional lattice structure is a triangular lattice structure or a cubic lattice structure.
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