JPWO2019039551A1 - メタマテリアル構造体および屈折率センサ - Google Patents
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Abstract
Description
図1乃至図25は、本発明の実施の形態のメタマテリアル構造体および屈折率センサを示している。
図1に示すように、屈折率センサ10は、メタマテリアル構造体11と透明基板12と光源13とハーフミラー14と分光器15とを有している。図1に示すように、メタマテリアル構造体11は、複数のカットワイヤで構成される微細構造11aを有し、透明基板12の上に設けられている。図1(b)に示すように、微細構造11aは、入射光の波長と同程度または入射光の波長以下の構造であり、回転対称に二次元周期配列された単位構造から成っている。なお、メタマテリアル構造体11は、入射光と微細構造11aに依存した表面プラズモンモードとの光結合が共振条件で強くなることにより、波長選択的な光応答を示すよう構成されている。メタマテリアル構造体11は、単位構造が回転対称であり、偏光無依存である。
屈折率センサ10は、以下のようにして使用される。すなわち、図1(a)に示すように、屈折率を測定したい試料1を、透明基板12の上のメタマテリアル構造体11の上に滴下し、メタマテリアル構造体11の反射スペクトルを分光器15で検出する。これにより、空気(屈折率n = 1.0)を基準として、試料1の滴下による屈折率変化に応じた反射スペクトルシフトから、試料1の屈折率を算出することができる。
メタマテリアル構造体11を製造し、屈折率の感度測定を行った。
まず、メタマテリアル構造体11の光学設計を行った。光学設計には、Rigorous Coupled-Wave Analysis法を用いた。設計に用いたメタマテリアル構造体11は、図1(b)に示す微細構造11aの単位構造が、縦方向および横方向に規則的に複数並べて配置されたものとした。また、メタマテリアル構造体11は、図中のw(カットワイヤの幅)を90nm、g(平行配置されたカットワイヤ間のギャップ)を150nm、d(垂直配置されたカットワイヤ間のギャップ)を150nm、l(カットワイヤの長さ)を330nm、Λ(周期)を1000nm、t(厚さ)を40nmとした。なお、図1(b)のような、微細構造11aが長方形のカットワイヤから成る構成では、屈折率感度を高めるために、アスペクト比(l/w)が3〜4、単位構造を有する面でのカットワイヤが占める割合(フィルファクタ)が0.08〜0.12であることが好ましい。
光学設計に基づいて、リフトオフプロセスにより、石英基板上にメタマテリアル構造体11を製造した。すなわち、まず、基板上にEB(Electron beam)レジストをスピンコートした後、EBリソグラフィでレジストパターンを作製した。その上に、EB蒸着によりTi(膜厚:1 nm)およびAu(膜厚:40 nm)を成膜した後、EBレジストを剥離することにより、メタマテリアル構造体11を製造した。なお、メタマテリアル構造体11の製造には、他の半導体微細加工技術やナノインプリントを用いても良い。
製造したメタマテリアル構造体11を用いて、空気(Air)、純水(DIW)、イソプロパノール(IPA)、グリセリン(Glycerin)の4種類の媒質中で、分光器15による反射スペクトル測定を行った。測定された反射スペクトルを図5(a)に、反射スペクトルのピーク波長(Peak wavelength)と周囲の媒質の屈折率(Refractive index)との関係を、図5(b)に示す。なお、図5(b)において、各媒質の屈折率を、空気が 1.000、DIWが 1.321、IPAが 1.368、グリセリンが 1.461 とした。図5(b)から屈折率の感度を求めると、599 nm/RIUとなり、非常に高感度であることが確認された。なお、製造されたメタマテリアル構造体11の寸法で再計算を行った結果、屈折率の感度は 605 nm/RIUとなり、実測値に近い値が得られた。この結果は、従来の表面プラズモンを利用した屈折率センサの屈折率感度が60〜190 nm/RIU(吉田隆、「プラズモニクス」、株式会社エヌ・ティー・エス、2011年8月24日発行、p.129)であったことと比較すると、最大で3倍以上感度が上回っている。計算値と実測値との差異は、リフトオフ時に剥離したAu素片の一部が、メタマテリアル構造体11の近傍に再付着して表面プラズモンモードを乱すことに起因する信号ノイズ成分に伴う計測誤差が一因と考えられる。
製造したメタマテリアル構造体11を用い、IPA水溶液の濃度を変化させたときの、それぞれの濃度における反射スペクトルの変化を測定した。室温は24℃で、IPAと水とを混合してから30秒以内に測定を行った。IPA水溶液の濃度(Concentration)と反射スペクトルのピーク波長(Peak wavelength)との関係を、図6および表1に示す。なお、使用した分光器15の最小波長分解能は、1.7 nmである。図6および表1に示すように、IPA濃度を薄くしていくと、それに伴って反射ピーク波長が短波長側へシフトしていくことが確認された。また、IPA濃度が4.6%〜1.2%の範囲において、反射ピーク波長が1357.4 nmから変化しておらず、濃度が0.6%になったときに1355.7 nmに変化したことが確認された。この結果から、最小で4%のIPA濃度変化を観測できたといえる。
製造したメタマテリアル構造体11を用い、DNAの存在を検出する実験を行った。図7(a)に示すように、実験では、まず、メタマテリアル構造体11の微細構造11aの表面を、検出用DNA21で修飾し、その検出用DNA21に検出対象の相補DNA22を結合させて相補鎖23を形成した。相補DNA22を結合する前後の、乾燥状態および湿潤状態での反射スペクトルを測定し、相補DNA22を結合する前後でのピーク波長(屈折率)の変化を検出した。なお、実験では、検出用DNA21および相補DNA22として、特に意味を持たない塩基配列を有する遺伝子を作製して使用している。また、塩基配列の設計次第で、特定の蛋白質のみと結合するようなDNAも製作可能である。
メタマテリアル構造体11の二次元配置については、複数のカットワイヤで構成される微細構造11aが回転対称に二次元周期配列されたものであれば、特に限定されない。図8〜図14にメタマテリアル構造体11の配置バリエーションの例を示す。
3種類のメタマテリアル構造体11について、Rigorous Coupled-Wave Analysis法を用いたシミュレーションを行った。なお、計算時のハーモニクスは6とした。シミュレーションに使用したメタマテリアル構造体11は、それぞれ図15(a)、図16(a)、図17(a)に示す配置およびサイズの微細構造11aのものである。透明基板12は、SiO2から成り、微細構造11aはAuから成っている。微細構造11aの厚みは、40 nmである。
図18に示すように、屈折率センサ10は、光ファイバ(Optical fiber)31を有し、メタマテリアル構造体11が、光ファイバ31の先端面31aに設けられていてもよい。この場合、図19(a)に示すように、屈折率センサ10は、光ファイバ31を介して、メタマテリアル構造体11と光源13および光検知器(Optical detector)32とが接続されている。なお、光検知器32は、分光器15やパワーメータを含むものである。図19(a)に示すように、屈折率センサ10は、光源13からの入射光を、光ファイバ31の後端面から導入し、メタマテリアル構造体11で反射して戻ってきた光を、光検知器32で読み取るようになっている。
光ファイバ31の先端面31aにメタマテリアル構造体11を設けた屈折率センサ10を製造した。図21a)〜f)に、光ファイバ31の先端面31aに、メタマテリアル構造体11を製造する方法を示す。その製造方法では、まず、カットした光ファイバ31の先端面31aを、純水もしくは有機溶剤を用いた超音波洗浄または紫外線・オゾン処理により洗浄し、その後、カットした光ファイバ31の先端面31aに、紫外線硬化樹脂(UV curing resin)33を塗布する。次に、平坦なガラス平面34に、紫外線硬化樹脂33が塗布された光ファイバ31の先端面31aを垂直に押し当て、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂33を硬化し(図21a)参照)、その後、平坦なガラス平面34から離し、紫外線硬化樹脂33を平坦化する。なお、光ファイバ31の先端面31aに形成するのではなく、ガラス基板上にメタマテリアル構造体11を形成する場合、図21a)の工程は不要となる。また、光ファイバ31の先端面31aが十分に平滑な場合も、図21a)の工程は不要である。
光ファイバ31の先端面31aに製造したメタマテリアル構造体11の電子顕微鏡写真を、図22(a)〜(c)に示す。また、製造された光ファイバ型の屈折率センサ10の反射スペクトルを、図23に示す。図23に示すように、光ファイバ31の先端面31aに形成したメタマテリアル構造体11を、空気(Air)およびエタノール(Ethanol)のそれぞれの環境下にさらすと、その屈折率変化によって共振波長が変化し、屈折率センサ10として機能することが確認された。
メタマテリアル構造体11はスケーリング則に従うため、その寸法について基本的に物理的制限はない。すなわち、寸法を小さくすれば、共振波長が短波長側にシフトし、寸法を大きくすれば、共振波長が長波長側にシフトするため、その波長に合った光源13と光検出器32とがあれば、図1に示すようなシステム構成が可能である。但し、メタマテリアル構造体11の単位構造を構成するカットワイヤ同士が接触することを避けるため、w(カットワイヤの幅)、g(平行配置されたカットワイヤ間のギャップ)、d(垂直配置されたカットワイヤ間のギャップ)、l(カットワイヤの長さ)は0nmよりも大きくした方がよい。
屈折率センサ10は、ガラスプレートを有し、メタマテリアル構造体11がガラスプレートの表面に設けられていてもよい。また、メタマテリアル構造体11の微細構造11aの表面に、図7(a)に示す検出用DNA21などのリガンドが付着していてもよい。この場合、ガラスプレート表面のメタマテリアル構造体11の上に血液を滴下して、屈折率変化から屈折率を求めることにより、血液中の成分を検出することができる。なお、血液に限らず、他の液体などの物質をメタマテリアル構造体11の上に載せることにより、その物質中の成分を検出することもできる。また、図21の製造方法に従って、ガラスプレートの表面にメタマテリアル構造体11を製造することができる。
10 屈折率センサ
11 メタマテリアル構造体
11a 微細構造
12 透明基板
13 光源
14 ハーフミラー
15 分光器
21 検出用DNA
22 相補DNA
23 相補鎖
31 光ファイバ
31a 先端面
32 光検知器
33、35 紫外線硬化樹脂
34 ガラス平面
Claims (10)
- 入射光の波長と同程度又は前記波長以下の微細構造を有し、前記入射光と前記微細構造に依存した表面プラズモンモードとの光結合が共振条件で強くなることにより、波長選択的な光応答を示すメタマテリアル構造体であって、
前記微細構造は、回転対称に二次元周期配列された単位構造から成ることを
特徴とするメタマテリアル構造体。 - 前記入射光の波長が2500nm以下であることを特徴とする請求項1記載のメタマテリアル構造体。
- 偏光無依存であることを特徴とする請求項1または2記載のメタマテリアル構造体。
- 前記微細構造は、前記単位構造の二次元の配列面に沿って、前記単位構造を、縦方向および/または横方向に規則的に複数並べて配置して成ることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のメタマテリアル構造体。
- 前記微細構造は、金、銀、銅、アルミニウムまたは遷移金属系窒化物から成ることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のメタマテリアル構造体。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のメタマテリアル構造体を有することを特徴とする屈折率センサ。
- 光ファイバを有し、
前記メタマテリアル構造体は、前記光ファイバの先端に設けられていることを
特徴とする請求項6記載の屈折率センサ。 - ガラスプレートを有し、
前記メタマテリアル構造体は、前記ガラスプレートの表面に設けられていることを
特徴とする請求項6記載の屈折率センサ。 - 前記微細構造の表面に付着された検出用作用体を有し、
前記検出用作用体は、検出対象と相互作用可能であることを
特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の屈折率センサ。 - 前記検出用作用体は、検出用DNAまたは検出用RNAから成り、前記検出対象であるDNAまたはRNAと相補鎖を形成可能であり、
前記微細構造は、前記検出用DNAまたは前記検出用RNAを結合可能な材料から成ることを
特徴とする請求項9記載の屈折率センサ。
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