WO2007018230A1

WO2007018230A1 - 光プローブ

Info

Publication number: WO2007018230A1
Application number: PCT/JP2006/315723
Authority: WO
Inventors: Toshihiko Kataoka; Yoshiaki Yamauchi
Original assignee: Osaka University
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2007-02-15
Also published as: WO2007018230A9

Abstract

　近接場光顕微鏡や光メモリへの応用に適した光プローブを提供する。　光プローブは、隔壁部１ａを挟んで相対向する，１対の円形の穴３ａ，３ｂが形成された金属膜からなる導波路部材１と、石英からなる光導入部材２とを備えている。導波路部材１は、比誘電率の実数部が負の値となる導電体媒質であるプラズモン活性媒質によって構成されている。２つの穴３ａ，３ｂの間の隔壁部１ａの最小壁厚ΔＳが極めて小さいときには、光によって励起される高密度の表面プラズモンが導波路部材１の隔壁部１ａの壁面を伝わり、導波路部材１の下方に光の局在化した部分が生じる。

Description

明細書

光プローブ

技術分野

[0001] 本発明は、例えば近接場光顕微鏡や光メモリ等に使用される光プローブに関するものである。

背景技術

[0002] 従来より、光の場を局在させる手法として、いくつかの提案がなされている。たとえば、非特許文献 1には、金属薄膜に 1つの穴を形成しておき、光入射側及び出射側の金属表面上にこの穴を中心として同心円状の周期性がある多数の溝を形成することにより、溝で散乱される光を利用して穴を通過する光の強度の向上を図ることが開示されている。

[0003] 非特許文献 2には、金属薄膜に多数の穴を周期的な配列で形成することにより、光の干渉を利用して、各穴を通過する光の強度の向上を図ることが開示されて、る。

[0004] 非特許文献 3の技術では、 2次元フォトニック結晶と呼ばれる金属薄膜に多数の穴を周期的な配列で形成し、かつ、そのうちの一つの穴列を塞いで導波路とし、さらに、その穴列の一部の穴の周期を他の部分と異ならせることにより、光を閉じ込めようとしている。

[0005] また、特許文献 1には、長穴の中間に光の波長の 1Z2よりも小さな幅の幅狭部を設けることにより、光導波路を介して伝搬される光の強度をその広がりの増大を招くことなく増強することが開示されている。

特許文献 1 :特開 2004— 109965号公報

非特許文献 1 : H.J丄 ezec et al.： Science, vol.297(2002) p.820

非特許文献 2 : S.C.Hohng et al.： Applied Physics Letters, vol.81, no.17(2002) p.323 9

非特許文献 3 : Bong-Shik Song et al： Nature Materials,vol.4(2005) p.207

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0006] ところで、近接場光顕微鏡や光メモリへの応用には、光の強度の大き!/、部分をできるだけ狭い領域に閉じ込めうる技術が求められる。このような応用については、上記従来の技術は以下のような不具合がある。

[0007] 非特許文献 1, 2の技術は、周期性を利用して導電体の表面に生じる表面ブラズモンを増強し、 1つの穴に入射する光の強度を大きくしただけで、各穴を通過する透過率そのものは 1つの穴し力設けてない場合と異ならない。また、光の強度の大きい部分は、光の波長程度の領域であり、光を狭い場所に局在させているわけではない。

[0008] 非特許文献 3の技術は、フォトニック結晶の応用にすぎず、光の閉じ込めのための Q値を向上させて閉じ込めた光の強度を大きくすることはできるが、光の強度の大きい部分は光の波長程度の領域であり、光を局在化させることはできない。一方、特許文献 1の技術では、長穴の一部にくびれを設けることで、この狭い部分に光を局在させることができるものの、入射波も透過してくるために、局在した光の強度には限界があり、応用できる分野が限定されるおそれがある。

[0009] 本発明の目的は、近接場光顕微鏡や光メモリへの応用に適した光プローブを提供することにめる。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明の光プローブは、プラズモン活性媒質によって構成される導波路部材と、導波路部材に所定波長の光を導入する光導入部材とを備えており、導波路部材は、最小壁厚が（1Z2) λ以下である隔壁部を挟んで対向する，径がえ以下の少なくとも 2 つの穴を有して、る。少なくとも 2つの穴の組が複数組設けられて、てもよ、。

[0011] これにより、光が直接通過するのが困難な穴であっても、穴の隔壁部などに生じる表面プラズモンが導波路部材を伝わって、導波路部材の入光側とは逆の側に光の局在化領域が生成される。この局在化領域は、極めて微細な部分に絞ることができるので、高分解能の近接場光顕微鏡や、高密度の光メモリへの応用が可能である。

[0012] 光プローブの導波路部材の少なくとも 2つの穴は、たとえば円形の貫通穴やコーナ一同士が相対向する矩形の貫通穴である。

[0013] 導波路部材を構成する材料が Auである場合、円形の貫通穴を設ける場合は、導波路部材の厚さは、 0. 1え〜 0. 15 λであることが好ましぐ矩形の貫通穴を設ける場合は、 0. 08え〜 0. 12 λであること力子まし!/ヽ。

[0014] 導波路部材の少なくとも 2つの穴の径は、いずれも (1/4) λ以下であることがより好ましい。また、導波路部材の隔壁部の最小壁厚は、（1Z5) λ以下であることが好ましい。

発明の効果

[0015] 本発明によると、高分解能の近接場光顕微鏡や、高密度の光メモリへの応用が可能な光プローブの提供を図ることができる。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]図 1 (a) , (b)は、本発明の第 1実施形態における光プローブの中央部における縦断面図、及び平面図である。

[図 2]図 2 (a)〜（c)は、各種材料力もなる光プローブの XZ面（II— II線断面）における電界強度の分布を示す図である。

[図 3]図 3 (a)〜（d)は、相異なる厚さを有する光プローブの XZ面 (III III線断面）における電界強度の分布を示す図である。

[図 4]図 4 (a)〜（d)は、相異なる厚さを有する光プローブの出口側の XY面 (IV— IV 線断面）における電界の分布を示す図である。

[図 5]図 5 (a) , (b)は、 Au力もなる光プローブの出口側の XY面における X方向， Y方向の電界強度の分布を示す図である。

[図 6]図 6 (a) , (b)は、 Au力もなる光プローブの出口側の XY面における X方向， Y方向の規格ィ匕された電界強度の変化を示す図である。

[図 7]図 7は、 Auからなる光プローブの下端力もの距離に対する規格化された電界強度の変化を示す図である。

[図 8]図 8 (a) , (b)は、本発明の第 2実施形態における光プローブの中央部における縦断面図、及び平面図である。

[図 9]図 9 (a)〜 (g)は、相異なる厚さを有する光プローブの st面 (IX— IX線断面）における電界強度の分布を示す図である。

[図 10] (a)〜 (g)は、相異なる厚さを有する光プローブの出口側の st面 (X— X線断面 )における電界強度の分布を示す図である。 [図 11] (a) , (b)は、各種材料力もなる光プローブの出口側の st面における t方向， s 方向の規格化された電界強度の変化を示す図である。

[図 12] (a) , (b)は、 Auからなる光プローブの出口側の st面における t方向， s方向の電界強度の分布を示す図である。

[図 13] (a) , (b)は、各種材料からなる光プローブについて、厚さを変化させたときの電界強度及び規格化された電界強度の変化を示す図である。

[図 14] (a)〜（c)は、底付き穴を有する光プローブの縦断面図、及び相異なる底壁厚さにおける電界強度の分布を示す図である。

[図 15] (a) , (b)は、第 1又は第 2実施形態の光プローブを用いた SNOM装置の概略図、及び光プローブの主要部の断面図である。

[図 16]イオンビーム加工による 1対の穴が形成されたサンプルの SEM写真図である

[図 17]ガラス基板側力もサンプルに He— Neレーザー光を照射したときに、アルミ- ゥム薄膜の出口付近で観察される光の CCD画像図である。

[図 18] (a) , (b) , (c)は、それぞれ順に、図 17において枠で囲まれた領域を拡大した CCD画像図、 t方向の光強度分布図、および s方向の光強度分布図である。

[図 19] (a) , (b) , (c)は、それぞれ順に、図 17において枠で囲まれた領域を拡大した CCD画像図、 t方向の光強度分布図、および s方向の光強度分布図である。

[図 20]図 20は、実施例 2において用いた近接場観測用装置の概略構成を示す図である。

[図 21]図 21は、金プローブ 26の SEM写真図である。

[図 22]図 22 (a) , (b)は、実施例 2のサンプル、および比較例のサンプルにおける近接場の光る強度分布を示すデータである。

符号の説明

1 導波路部材

la〜lc 隔壁部

Id 底壁部

2 光導入部材 3a, 3b 穴

4a, 4b 穴

5a, 5b 穴

8 光ファイバ一

8a コア部

8b クラッド言

10 光プローブ

12 試料

13 光学顕微鏡

14 光電子増倍管

15 センサ付きピエゾ素子

発明を実施するための最良の形態

[0018] (第 1実施形態）

図 1 (a) , (b)は、それぞれ順に、本発明の第 1実施形態における光プローブの中央部における縦断面図、及び平面図である。

[0019] 図 1 (a) , (b)に示すように、本実施形態の光プローブは、隔壁部 laを挟んで相対向する， 1対の円形の穴 3a, 3bが形成された金属膜からなる導波路部材 1と、光ファィバーである光導入部材 2とを備えている。ここで、導波路部材 1は、比誘電率の実数部が負の値となる導電体媒質であるプラズモン活性媒質によって構成されている。本発明にお!ヽて用いられるプラズモン活性媒質の例としては、金 (Au)、銀 (Ag)、ァルミニゥム (A1)、銅 (Cu)、白金 (Pt)等の金属が代表例として挙げられる。 1対の穴 3 a, 3bの径は、同じであってもよいし多少異なっていてもよいが、いずれもレーザ光の波長え（本実施形態では、 633nm)の 1Z2よりも小さぐたとえば、 0. 05 (約 32η m)程度である。なお、図 1 (a)には、円形の穴 3a, 3bが示されている力穴 3a, 3bの形状は、楕円などであってもよい。また、穴 3a, 3bが貫通孔でなく底付き穴であってちょい。

[0020] 穴 3a, 3bは、電子ビームのスポット径を lOnm程度又はそれ以下に絞って、金属膜に照射することにより形成させることができる。その他、 EBレジストを利用した力卩ェ方法を用いて穴を形成することもできる。

[0021] このような微小径の円形穴が単独で存在する場合、金属膜の膜厚が所定値以上のときにはレーザ光が穴を通過することはほとんどできないが、本発明者達は、 2つの穴 3a, 3bの間に介在する隔壁部 laの最小壁厚 Δ S (隔壁部 laの中央部の壁厚）が極めて小さいときには、光によって励起される表面プラズモンが導波路部材 1を伝わり、導波路部材 1の下方に電界の集中領域 (光の局在化領域)が生じること現象を見いだした。つまり、実質的に光が導波路部材 1を通過していることになる。このような現象が生じる原因自体は必ずしも明らかになっていない。本発明者達は、シミュレーシヨンにより、ある条件下における，光の局在化状態を示す詳細な電界の分布を求めている。

[0022] 以下のデータを求めるために用いたシミュレーションの解析手順としては、解析モデルを設定して、境界の要素分割を行なう境界要素法 (BEM)を採用した。計算上は、電磁場の計算式として知られている Mullerの積分方程式を数値的に解いて、任意の点の電磁場 E, Hを求めた。

[0023] 図 2 (a)〜（c)は、それぞれ順に、 Au, Al, Agからなる光プローブの XZ面（II— II線断面）における電界強度 |E|²の分布を示す図である。シミュレーションにおいて、レーザ光の波長をえとして、光プローブの厚さ h=0. 1 λ ,円形穴の径 φ =0. 05 λ , 1 対の円形穴の間の隔壁部の最小壁厚 A S = 0. 01 λとしている。この例では、レーザ光の波長は 633nmである。 Auの比誘電率の実部は— 9. 514,虚部は— 1. 131である。 Agの比誘電率の実部は— 15. 89,虚部は— 1. 074とした。 A1の比誘電率の実部は 56. 12,虚部は 20. 90として。石英の比誘電率の実部は 2. 122,虚部は 0とした。いずれの材料についても、比透磁率の実部は 1. 0,虚部は 0とした。入力する光の電界 Eoの方向は、 1対の穴 3a, 3bの各中心線を通る直線に垂直な方向である。

[0024] 図 2 (a)に示すように、 Auからなる光プローブでは、 1対の穴 3a, 3bから隔壁部 la の各上部に亘る部分に最も強い電界が生じており、入射光の強度を 1としたときの局部的な電界の最大値は 8以上になっている。図 2 (b)に示すように、 A1からなる光プローブでは、 1対の穴 3a, 3bの壁面及び隔壁部 laの各上部においては、入射光の強度を 1としたときの局部的な電界の最大値が 0. 2以上になっている力それよりも下方の領域では、電界は減少している。図 2 (c)に示すように、 Ag力なる光プローブでは、各穴の壁面及び隔壁部 laの下方（出口側）に強い電界が生じており、入射光の強度を 1としたときの局部的な電界の最大値は 1以上になっている。

[0025] 図 2 (a)〜（c)で注目すべき点は、 Au, Al, Agの!、ずれの材料からなる光プローブにおいても、光の局在化現象が見られることである。本来、金属板では、穴の径 φが光の波長えの 1Z2以下、特に波長の 1Z4以下になると、ほとんど光を通さなくなるはずである。ところ力このように、穴の径 φ力^). 05 λ (約 31. 7nm)とごく/ J、さいときであっても、単独の穴ではなぐごく微小な最小壁厚 A S (この例では、 0. Οΐ λ (約 6 . 3nm) )を隔てた 1対の穴 3a, 3bを設けると、実質的に光が通過したと同じ現象が得られ、かつ、微小な部分に光が局在化している。つまり、光の局在化が現れていることがわかる。ただし、図 2 (a)〜（c)では、 Au, Al, Ag力もなる光プローブの厚さを共通にしているために、材料の透過率の差異に起因する電界のバックグラウンド強度の差が現れており、このデータだけでは、目的とする近接場光顕微鏡や光メモリなどに応用しうる適正な条件を見、だすことはできな、。

[0026] 図 3 (a)〜 (d)は、それぞれ川頁に、厚さ h力 ^Ο. 05 λ , 0. 1 λ , 0. 15 λ , 0. 2 λの光プローブの ΧΖ面 (III III線断面）における電界強度 |E|²の分布を示す図である。光プローブの材料はすべて Auである。図 3 (a)〜（d)から以下のことがわかる。

[0027] 光プローブの厚さ hが 0. 05 λの場合には（図 3 (a)参照）、最大強度が入力光量の 20倍に達する電界の局部集中が生じる。ただし、 Auからなる光プローブでは、穴のない場合も、その厚さが薄い場合には、一定の透過率で光が透過することがわかつている。光プローブの厚さ hが 0. Ι λ , Ο. 15えになると（図 3 (b) , (c)参照）、 1対の穴 3a, 3bの間の隔壁部 laの下方の領域 Raに局部的な電界集中が顕著に見られる。この電界集中は、図 3 (a)においても現れている力ノックグラウンド光量が大きいためにそれほど顕著ではない。また、光プローブの厚さ hが 0. 2えまで厚くなつても、電界強度そのものは小さくなるものの、光プローブの穴 3a, 3bの隔壁部 laの出口付近の領域 Raに局部的な電界の集中が見られ、光が実質的に光プローブを通過していることがわかる。この厚さになると、穴のない光プローブを光が透過することはほとんどないが、本発明のように、 1対の穴 3a, 3bを近づけると、その隔壁部 laに電界の集中が生じるわけである。

[0028] このような 1対の穴 3a, 3bの隔壁部 laの出口付近における電界の局部集中、つまり光の局在化の原理そのものはまだ解明されていないが、概略、以下のような作用によるものと推測される。光プローブに、電界の方向が各穴 3a, 3bの各中心線を通る方向に垂直な光が入射されると、各穴の壁面（内表面）に表面プラズモンによる電界力 S生じる。隔壁部 laには、両側の穴の壁面に生じた表面プラズモンが集中し、特に隔壁部 laの最小壁厚部付近で表面プラズモンの高密度状態が生じ、高密度の表面プラズモンが最小壁厚部付近を通過して出口付近に達する。その結果、光が光プローブを実質的に通過したことになり、かつ、光の局在化が生じるものと考えられる。

[0029] 図 4 (a)〜（d)は、それぞれ川頁に、厚さ h力 ^0. 05 λ , 0. Ι λ , Ο. 15 λ , 0. 2えの光プローブの下端から 0. 01 下方位置（出口側）の ΧΥ面（IV— IV線断面）における電界 |Ε|²の分布を示す図である。図 4 (a)〜（d)に示すように、光プローブの厚さ hが異なっていても、隔壁部 laの下方には、電界が集中した領域 Ra (光の局在化領域）が現れていることがわ力る。

[0030] 図 5 (a) , (b)は、それぞれ順に、 Auからなる光プローブの下端から 0. 01 λ下方位置（出口側）の ΧΥ面における X方向， Υ方向の電界強度 (光量） |Ε|²の分布を示す図である。図 5 (a) , (b)において、 Χ=0は最小壁厚を有する隔壁部 laの中央部であり、 Y=0は、 1対の穴 3a, 3bの中心線位置である。図 5 (a) , (b)に示されるように、隔壁部 laの中央部付近に電界強度のピークがあり、厚さ hが 0. 05 λ , 0. 10 λ , 0. 15 λ , 0. 20えの順に高い最大電界強度を示していることがわかる。しかしながら、この分布図だけでは、光の局在化に対応する電界の集中度は明確でない。光の局在化はバックグラウンド光量との対比において判断すべきだ力もである。

[0031] 図 6 (a) , (b)は、それぞれ順に、 Auからなる光プローブの下端から 0. 01 λ下方位置（出口側）の ΧΥ面における X方向， Υ方向の規格ィ匕された電界強度 |E|²/|Et|²の変化を示す図である。ここでいう規格化とは、光プローブの穴がないものとした平板を透過する光量 (電界強度 |Et|²)で絶対光量 (電界強度 |E|²)を除することを!、い、 S/ N比に相当するものである。図 6 (a) , (b)力もわ力るように、厚さ hが 0. 15 λのとき、規格ィ匕された電界強度（SZN比）の最大値は 40以上である。以下、厚さ hが 0. 10 ， 0. 05 ， 0. 20 の川頁に S/N比力大きいこと力わ力る。つまり、厚さ h力 ^0. 05 えのものでは、電界強度の最大値そのものは大きいものの、ノックグラウンドが大きいために、ある微小部分における光のみを利用したい近接場光顕微鏡や光メモリへの応用には必ずしも有利とは、えな、。

[0032] このような電界強度 (光量)及び規格化された電界強度（SZN比）と、光プローブの厚さ hとの関係を整理すると、以下のようになる。

[0033] 光プローブの厚さを hとすると、穴が設けられた光プローブを通過する絶対光量 |E|² と光プローブの厚さ (金属膜厚)との関係は、下記式（1)

|E|²=Aexp (-ah) (1)

によって表される。ただし、 A, aは定数である。一方、穴が設けられていない金属膜を通過する絶対光量 |Et|²は、下記式（2)

|Et|² = Bexp (-bh) (2)

によって表される。ただし、 B, b (b >a)は定数である。したがって、規格化された光量 |E|²/|Et|²は、下記式 (3)

|E|V|Et|²= (A/B) exp{ (b-a) h} (3)

によって表される。

[0034] 種々の金属について数値解析から定数 a, bを求めると、

光プローブ力 SAu力らなるときには、 a = 31. 4, b = 38. 7

光プローブ力 SA1力らなるときには、 a = 59. 0, b = 95. 7

光プローブ力 SAg力らなるときには、 a=40. 5, b = 50. 3

である。

[0035] したがって、同じ材料力なる光プローブにおいては、厚さ hが大きくなると、絶対光量である電界強度 |Et|²は減少し、規格化された電界強度 (S/N比） |E|²/|Et|²は増大する、という関係がある。言い換えると、光プローブの厚さ hを小さくして絶対光量を稼ごうとすると、 SZN比が悪化する。逆に、 SZN比を上げようとして、光プローブの厚さ hを大きくすると、絶対光量が微弱になり、光の検出や利用が困難になるおそれがある。 [0036] 本実施形態における図 2〜図 6のデータを総合すると、光プローブを構成する材料として、 Au, Al, Agのうちでは Au力 Sもっとも適当な材料であり、 Auを用いる場合、厚さ hは 0. 1え〜 0. 15 λが最適範囲である。ただし、光の検出デバイスの性能ゃバックグラウンド除去技術が向上すれば、これ以外の材料，厚さでも利用することは可能である。

[0037] 図 7は、 Auからなる光プローブの下端力の距離に対する規格ィ匕された電界強度の変化を示す図である。光プローブの厚さ hが 0. 15えの場合、光プローブの下端からの距離が 0. 01 λよりも小さくなると、規格化された電界強度は 40を超えて、 100以上にも達する。たとえば、 0. 01 λは約 6. 3nmであり、近接場光顕微鏡に応用すると、光プローブと試料の被検査部との間の距離が約 6. 3nmであることを意味する。したがって、図 7のデータに基づいて、絶対光量や SZN比を考慮しつつ、できるだけ近い距離での局在化された光を利用することができる。図 7は、 Auからなり光プロ一ブの厚さ hが 0. 15えの光プローブを用いた場合のデータである力異なる材料，異なる厚さ hの光プローブを用いる場合には、図 7と同様のデータを準備すればよい。

[0038] 以上のように、本実施形態の光プローブによると、微小な領域に高、電界強度で光を局在させることができる。したがって、近接場光顕微鏡や光メモリなどに応用可能な光プローブが得られることになる。

[0039] (第 2実施形態）

図 8 ( (a) , (b)は、それぞれ順に、本発明の第 2実施形態における光プローブの中央部における縦断面図、及び平面図である。

[0040] 図 8 (a) , (b)に示すように、本実施形態の光プローブは、隔壁部 lbを挟んでコーナ一部同士が対向する， 1対のほぼ正方形の穴 4a, 4bが形成された金属膜からなる導波路部材 1と、石英力もなる光導入部材 2とを備えている。第 1実施形態と同様に、導波路部材 1は、比誘電率の実数部が負の値となる導電体媒質であるプラズモン活性媒質によって構成されている。本実施形態においても、用いられるプラズモン活性媒質としては、金 (Au)、銀 (Ag)、アルミニウム (A1)、銅 (Cu)、白金 (Pt)等の金属が代表例として挙げられる。 1対の穴 4a, 4bの辺長は、同じであってもよいし異なつていてもよいが、いずれもレーザ光の波長えの 1Z2よりも小さぐたとえば、 0. 05 λ 程度である。なお、図 8 (a)には、ほぼ正方形の穴 4a, 4bが示されている力穴 4a, 4 bの形状は、長方形，三角形などの多角形であってもよい。

[0041] 本実施形態においては、微小辺長の 1対の正方形の穴 4a, 4bの共通する対角線方向を sとし、これに直交する対角線方向を tとし、 s方向における穴 4a, 4bの間の隔壁部 lbの最小壁厚を A S 'とする。本発明のように、穴の辺長や隔壁部 lbの最小壁厚 Δ S 'が nmオーダーの微小サイズの場合、原子が点在してヽる状態を無視して曲率半径が 0であるという仮定を設定し得ないので、穴 4a, 4bのコーナー部の曲率半径を rとする。この例では、 r=0. 0012 λ (約 7. 5Α)としている。このような場合にも、本発明者達は、 2つの穴 4a, 4bの間の隔壁部の最小壁厚 A S 'が極めて小さいときには、光によって隔壁部 lb付近に生成される高密度の表面プラズモンが導波路部材を伝わり、導波路部材 1の下方に光の局在化した領域が生成されることがわ力つた。このような現象が生じる原因自体は必ずしも明らかになっていない。本発明者達は、第 1実施形態と同様のシミュレーションにより、ある条件下における，光の局在化状態を示す詳細な電界の分布を求めて、る。

[0042] 図 9 (a)〜 (g)は、それぞれ川頁に、厚さ h力 ^0. 05 λ , 0. 08 λ , 0. 1 λ , 0. 12 λ , 0 . 15 λ , 0. 18 λ , 0. 2えの光プローブの st面（IX— IX線断面）における s面に垂直な電界成分の電界強度 |En|²の分布を示す図である。光プローブの材料はすべて A uである。図 9 (a)〜（g)から以下のことがわかる。

[0043] 厚さが 0. 05えの場合には（図 9 (a)参照）、比較的広い部分に最大強度が入力光量の 50倍に達する電界の局部集中が生じる。そして、光プローブの厚さ hが 0. 08 λ , 0. 1 λになると（図 9 (b) , (c)参照）、 1対の穴 4a, 4bの隔壁部 lbに接するコーナ一部の下方の領域 Rbに局部的な電界集中が顕著に見られる。この領域 Rbへの電界集中は、図 9 (a)においても現れている力ノックグラウンド光量が大きいためにそれほど顕著ではない。また、光プローブの厚さ h力^). 12 λ , 0. 15 λ , 0. 18えまで厚くなつても（図 9 (d) , (e) , (f)参照）、電界強度 |E|²は小さくなつていくものの、光プローブの穴 4a, 4bの隔壁部 lbに接するコーナー部の下方の領域 Rbに局部的な電界の集中が見られる。ただし、光プローブの厚さ hが 0. 2えまで厚くなると（図 9 (g)参照）、光プローブを通過する光の量が極めて小さくなり、図 9 (g)に示す入射光量に対する最大光量の比では、この領域 Rbへの電界の集中が生じているかどうかがわからなくなる。

[0044] 本実施形態においても、 1対の穴 4a, 4bの隔壁部 lbに接する部分の出口付近における電界の局部集中、つまり光の局在化の原理そのものはまだ解明されていない力概略、第 1実施形態と同様の作用によるものと考えられる。

[0045] 図 10 (a)〜（g)は、それぞれ川頁に、厚さ h力 ^0. 05 λ , 0. 08 λ , 0. 1 λ , 0. 12 λ , 0. 15 λ , 0. 18 λ , 0. 2えの光プローブの下端力ら 0. 01 λ下方位置（出口佃 J)の st 面 (X—X線断面）における電界強度 |E|²の分布を示す図である。この例では、光プローブの位置における横断面の電界分布を示している。図 10 (a)〜（g)に示すように、光プローブの厚さ hが異なっていても、隔壁部 lbに接する穴コーナー部の下方には、電界が集中した領域 Rb (光の局在化領域）が現れていることがわかる。つまり、図 9 (g)では、入射光量に対する最大光量の比を 50としているために、領域 Rbへの電界集中が不明瞭になっているが、図 10 (g)では、入射光量に対する最大光量の比を 0 . 011634まで弱くしていることにより、領域 Rbへの電界集中の存在が確認できるようになった。

[0046] 図 9 (a)〜（g)及び図 10 (a)〜（g)は、 Auからなる光プローブについてのデータであるが、 Al, Agからなる光プローブについても、同様のシミュレーションが行なわれている。

[0047] 図 11 (a) , (b)は、それぞれ順に、 Au, Al, Agからなる光プローブの下端から 0. 0 1 λ下方位置（出口側）の st断面における t方向， s方向の規格ィ匕された電界強度 |E|² Z|Et|²の変化を示す図である。このデータは、光プローブの厚さ hが 0. 08 λのときのデータを抜き出したものである。図 11 (a) , (b)をみると、 Alからなる光プローブの S ZN比が最も大きいことがわかるが、近接場光顕微鏡や光メモリへの応用のためには、 S/N比だけでなぐ光の絶対量 (電界 |E|²)も考慮する必要がある。あまりに光の量が小さくては、光の検出や利用が困難だ力もである。

[0048] 図 12 (a) , (b)は、それぞれ順に、厚さ hが 0. 05え〜 0. 2えの Auからなる光プローブの下端から 0. 01 λ下方位置（出口側）の st面における t方向， s方向の電界強度 |E|²の分布を示す図である。図 12 (a) , (b)のデータからは、厚さ hが小さいほど電界強度 |E|²が大き、ことがわかる。

[0049] 図 13 (a) , (b)は、それぞれ順に、各材料からなる光プローブについて、厚さを変化させたときの電界強度 |E|²及び規格化された電界強度 |E|²Z|Et|²の各変化を示す図である。いずれも、光プローブの下端から 0. 01 λ下方位置（出口側）におけるデータをまとめたものである。図 13 (a)をみると、この条件下では、 A1からなる光プローブの電界強度 (絶対光量) |E|²の値が非常に小さいことから、条件を変える必要があることがわかる。また、 Agからなる光プローブの場合、厚さ h力 . 17 λを超えると、 Auからなる光プローブよりも規格化された電界強度（SZN比）が大きくなるものの、この範囲では電界強度 (絶対光量）が 10_²に近づき、光の検出や利用には、何らかの増幅手段が必要である。

[0050] つまり、第 1の実施形態と同様に、式（1)〜（3)の関係が存在していることから、光プローブの厚さ hを小さくして絶対光量である電界強度 |E|²を稼ごうとすると、規格ィ匕された電界強度 |E|²/|Et|²は減少する、つまり、 S/N比が悪化する。逆に、 S/N比を上げようとして、光プローブの厚さ hを大きくすると、絶対光量が微弱になり、光の検出や利用が困難になるおそれがある。

[0051] したがって、本実施形態では、光プローブを構成する材料として、 Au, Al, Agのうちでは Au力もっとも適当な材料であり、 Auを用いる場合、厚さ hが 0. 08え〜 0. 12 えの範囲で、絶対光量が少なくとも 1近くあり、かつ、 SZN比が 40〜80程度であり、この範囲が最適範囲であることがわかる。ただし、光の検出デバイスの性能やバックグラウンド除去技術が向上すれば、これ以外の材料，厚さでも利用することは可能である。特に、本実施形態では、 50〜80という第 1実施形態よりも大きな SZN比が得られる利点がある。

[0052] また、第 1実施形態における図 7と同様の関係が得られるので、絶対光量や光の S ZN比を考慮しつつ、できるだけ近い距離での局在化された光を利用することができる。

[0053] なお、本実施形態においては、ほぼ正方形の 1対の穴 4a, 4bを設けた力長方形の 1対の穴を設けてもよい。

[0054] (その他の実施形態）上記各実施形態においては、光プローブのいわば導波路に相当する穴が貫通穴である場合について説明したが、本発明における光プローブの穴は金属膜を貫通して!、な、底付き穴であってもよ、。その例につ、て説明する。

[0055] 図 14 (a)〜（c)は、それぞれ順に、底壁の厚さ dが 0. 02えのときの電界強度の分布を示す図、底壁の厚さ dが 0. 005えのときの電界強度の分布を示す図、ほぼ正方形の底付き穴 5a, 5bを有する光プローブの縦断面図である。ここで、図 14 (a) , (b) における電界強度 |E|²は、光プローブの下端から 0. 01 λ下方の位置における値である。

[0056] 図 14 (c)に示すように、この例における光プローブは、コーナー部同士が対向する , 1対のほぼ正方形の底付き穴 5a, 5bが形成された金属膜からなる導波路部材 1と、石英力もなる光導入部材 2とを備えている。 lcは、底付き穴 5a, 5b間の隔壁部であり、 Idは底付き穴 5a, 5bの底壁部である。第 1実施形態と同様に、導波路部材 1は、比誘電率の実数部が負の値となる導電体媒質であるプラズモン活性媒質によって構成されている。 1対の底付き穴 5a, 5bの各辺の長さは、同じであってもよいし異なつて!、てもよ、が、少なくとも一方の辺の長さが用いられるレーザ光の波長 λの 1Z2よりも小さぐたとえば、 0. 05 λ程度である。なお、図 14 (c)には、ほぼ正方形の底付き穴 5a, 5bが示されている力底付き穴 5a, 5bの形状は、長方形，三角形などの多角形や円形であってもよい。本例では、光プローブの導波路部材 1の厚さ hは 0. 08 λ、底付き穴 5a, 5bの辺長が 0. 05 λ、底付き穴 5a, 5b間の隔壁部 lcの最小壁厚 A S ' ^O. 01 λとして! /、る。

[0057] 図 14 (a)に示すように、底壁部 Idの厚さが 0. 02えの場合には、光プローブの下端力も 0. 01 λ下方の横断面において、各底付き穴 5a, 5bの中心位置に相当する位置に電界の集中がある。また、図 14 (b)に示すように、底壁部 Idの厚さが 0. 005 λ の場合には、光プローブの下端から 0. 01 λ下方の横断面において、隔壁部 Idの中心位置に相当する位置に電界の集中がある。このように、導波路部材 1の導波路として機能する穴が底付き穴である場合にも、一定の電界の集中が見られることがわ力る

[0058] (光プローブの可能な構成）本発明の光プローブの導波路部材を構成する材料は、第 1実施形態，第 2実施形態のみカゝら判断すると Auが最適である力 Al, Ag以外の金属材料 (純金属及び合金を含む)であっても、比誘電率の実数部が負の値となる導電体媒質であるブラズモン活性媒質であれば、本発明の効果を発揮しうる。

[0059] 本発明の光プローブの導波路部材の厚さの最適範囲は、図 13 (a) , (b)からわかるように、導波路部材を構成する材料の種類によって異なる力 Auについては、第 1, 第 2実施形態で述べたとおりである。

[0060] また、本発明の光プローブに設けられる 1対の穴の径は、光を直接に通過させない程度に小さいことが好ましい。ここでいぅ径とは、矩形状の穴の場合は、対角線長さであり、楕円や異形の場合は最大幅をいう。ただし、光を少しでも通過させるか、全く通過させないかの境界は、厚さ及び透過率との関連もあり、必ずしも明確でない。本発明で行われたシミュレーションによると、各穴の径が（1Z2) λ以下であることが必要であり、径が（1Z4) λ以下であることが好ましい。また、穴と穴との間隔、つまり隔壁部の最小壁厚 A S ( A S ' )は、（1Z2) λ以下であることが必要であり、（ΐΖ5) λ以下であることが好ましい。

[0061] 本発明の光プローブにおいて、現在行なっているシミュレーションの範囲では、 1対の穴の径ゃ隔壁部の中央部の最小壁厚力 ^、くら小さくても、光の局在化領域が得られている。現実には、形成可能な最小径、最小壁厚によって、本発明の応用が限られること〖こなる。

[0062] なお、本発明の光プローブは、 1対の穴を有することが必要である力 2つ以上の穴を有していても、そのうちの少なくとも 2つの穴の構造が本発明に該当すればよい。特に、 1対（2つの）穴の組が複数組設けられていてもよい。また、 1対の穴のうち一方が円形であり、他方が矩形である場合のように、穴の形状が互いに異なっていてもよいし、 2つの穴の径が互いに異なっていてもよい。その場合にも、隔壁部に光が入射されると、電界が隔壁部の中央部付近に集中して表面プラズモンを生成する作用が得られるからである。たとえば、三角形の 3つの穴が互いにコーナー部を対向させて配置されていてもよい。また、 2つの三角形の穴や、 2つの菱形の穴が互いに対向した状態で配置されていてもよい。さらに、 4つの四角形穴が、共通の点にコーナーを集中させて相対向し合うように配置されて、てもよ、。

[0063] また、第 2実施形態では、各穴 4a, 4bの各対角線が一直線上にある構造とした力各穴の対角線同士がある角度をもって交差するように形成されて、てもよ、。

[0064] 上記各実施形態では、光プローブの 1対の穴の壁面が垂直方向に形成されている場合について説明した力穴の全体又は一部がテーパをもっていたり、壁面の縦断面形状が曲面状であってもよ、。

[0065] 上記各実施形態では、光導入部材を光ファイバ一としたが、本発明の光導入部材は力かる実施形態に限定されるものではなぐたとえばレンズや凹面鏡で光を集光して 1対の穴に照射する構造のものであってもよい。

[0066] (光プローブの応用例）

上記各実施形態に示されるように、本発明の光プローブによって生成される光の局在化領域の範囲は、しきい値レベルを決めることによって非常に微細な領域に設定することができる。電界のピーク部の半値幅は、金 (Au)からなる光プローブで、 h=0 . ΙΟ λ , Z= -0. Oi lの場合、第 1実施形態では 0. 04 λ以下であり、第 2実施形態では 0. 032 λ以下であるが、しきい値レベルの設定の仕方によっては、 10nm前後の微細な部分のみに集中して光を照射することが可能になる。たとえば、第 1実施形態の図 4に示される最も電界の高い領域の大きさは、約 0. 02 (約 13nm)であり、第 2実施形態における最も電界の高い領域の大きさは、約 0. Οΐ λ (約 6. 5nm)である。また、導波路部材の下端からの距離を 0. 01 λに維持することは現在の技術では、それほど困難なことではない。そこで、高分解能の SNOM (近接場光顕微鏡)や、微細なメモリセルを有する高密度の光メモリへの応用が可能になった。

[0067] 図 15 (a) , (b)は、それぞれ順に、上記第 1又は第 2実施形態の光プローブを用いた SNOM装置 (近接場光顕微鏡)の概略図、及び光プローブの主要部の断面図である。図 15 (a)に示すように、 SNOM装置は、試料 12の上方に位置する光学顕微鏡 13と、光電子増倍管 14と、センサ付きピエゾ素子 15と、センサ付きピエゾ素子の先端部に取り付けられた光プローブ 10とを備えている。光源として 5mWの He— Ne レーザを用い、センサ付きピエゾ素子 15の先端部に取り付けられた光ファイバ一を経て光プローブ 10に入射する構成となっている。 [0068] 図 15 (b)に示すように、この例では、光プローブ 10は、高屈折率媒質をコア 8aとし低屈折率媒質をクラッド 8bとする光ファイバ一 8と、光ファイバ一 8の先端部を被覆する金属膜からなる導波路部材 1とを備えている。導波路部材 1には、上記第 1実施形態 (又は第 2実施形態）において説明したように、隔壁部 la (lb)を隔てて近接する 1 対の穴 3a, 3b (4a, 4b)が形成されている。

[0069] このような構成により、第 1,第 2の実施形態で説明したように、光プローブ 10の上端から所定値 (たとえば 0. Oi l )上方に位置する部分に光が局在化した領域 Ra (R b)が得られる。そこで、光が局在化した領域 Ra (Rb)の光を試料 12の表面に照射し、そこからの微弱な散乱光を光学顕微鏡 13によって集光し、光学顕微鏡 13の撮影用の像面にピンホールを設置することで光プローブ 10からの散乱光のみを抽出し、この光を光電子増倍管 14により検出する。また、センサ付きピエゾ素子 15を用いて、光プローブ 10—試料 12間の距離をたとえば 5〜6nm程度の一定距離となるようなフイードバック制御が行なわれる。

[0070] 上記例と同様に、本発明の光プローブを用いて、反射型の SNOMを構成することも可能である。また、光プローブによって生成される微小な光の局在化領域を利用して、極めて微細なセルを有する高密度の光メモリを構成することができる。

実施例 1

[0071] 図 16は、イオンビーム加工による 1対の穴が形成されたサンプルの SEM写真図である。サンプルは、蒸着によりガラス基板上にアルミニウム薄膜 (厚さ 50nm (0. 079 λ ) )を形成し、収束イオンビーム加工により、アルミニウム薄膜に 1対の穴を形成してなるものである。各穴は、テーパ状に形成されており、各穴の径は、最大部（上部）で約 270nm (0. 43 λ ) ,最小部（下部）で約 80nm (0. 13 λ )であり、 2つの穴の中心間距離は 370nmである。したがって、 2つの穴の間の隔壁部の最小壁厚 Δ Sminは約 100 0. 16 ）である。

[0072] 図 17は、ガラス基板側からサンプルに He— Neレーザー光を照射したときに、アルミニゥム薄膜の出口付近で観察される光の CCD画像図である。観察は、光学顕微鏡の対物レンズの後方に CCDを取り付けた状態で行なった。サンプルには、合計 6箇所に各 1対の穴が形成されているので、図 17には 6力所に点状の高強度領域が現れている。

[0073] 図 18 (a) , (b) , (c)は、それぞれ順に、図 17において枠で囲まれた領域を拡大した CCD画像図、 t方向の光強度分布図、および s方向の光強度分布図である。 s方向とは、 1対の穴の中心線を結ぶ線に平行な方向であり、 t方向とは、 1対の穴の中心線を結ぶ線に直交する方向である。このとき、照射された He— Neレーザー光は、 t 方向に偏光している。図 18 (b) , (c)の横軸はサンプル上での位置座標である。また、図 18 (b) , (c)の縦軸は光強度であるが、任意単位のカウント値である。

[0074] 図 19 (a) , (b) , (c)は、それぞれ順に、図 17において枠で囲まれた領域を拡大した CCD画像図、 t方向の光強度分布図、および s方向の光強度分布図である。 s方向とは、 1対の穴の中心線を結ぶ線に平行な方向であり、 t方向とは、 1対の穴の中心線を結ぶ線に直交する方向である。このとき、照射された He— Neレーザー光は、 s 方向に偏光している。図 19 (b) , (c)の横軸はサンプル上での位置座標である。また、図 19 (b) , (c)の縦軸は光強度であるが、任意単位のカウント値である。

[0075] 図 18 (a)〜（c)、図 19 (a)〜（c)を観察すると、以下のことがわかる。まず、 1対の穴の隔壁部に最も光強度の大きい部分 (ピーク）があることから、観察される光はアルミ -ゥム薄膜を透過してきた光ではな、ことがわかる。他の領域の光強度は極めて小さいし、 2つの穴の中心に相当する位置にピークがあるわけでもないからである。すなわち、光によって励起される表面プラズモンが導波路部材であるアルミニウム薄膜を伝わり、 2つの穴の隔壁部の下方に電界の集中領域 (光の局在化領域)が生じている。したがって、シミュレーションで予測されたこと力実測により確認されたことになる。実施例 2

[0076] 次に、より直接的に光近接場における光強度分布を観測した実施例 2について説明する。図 20は、実施例 2において用いた近接場観測用装置の概略構成を示す図である。近接場観測用装置において、試料 20が取り付けられる試料台 21は、 2軸ゴニォステージ 22、 XYZピエゾステージ 23、および XYZメカニカルステージ 24を組み合わせたステージ上に設置されて、る。 2軸ゴ-ォステージ 22および XYZメカ-カルステージ 24は、手動により試料台 21の平面状の位置を調整するための機構である。 XYZピエゾステージ 24は、ピエゾ効果を利用して、電気信号に応じた変位を生じさ ·¾：るものである。

[0077] また、近接場観測用装置には、レーザー光 29を照射する He— Neレーザー 25と、 He— Neレーザー 25から受けたレーザー光 29を反射させて試料 20に照射する反射鏡 28と、試料 20の出口側の近接場における光強度を検知するための金プローブ 26 と、金プローブ 26を支持するための保持用ガラス板 27とが配置されている。本実施例における試料 20は、 1対の四角形穴を対角線方向に対向させたものである。金プローブ 26は、レーザー光 29の波長え (633nm)にほぼ等しい距離で試料 20に対畤している。つまり、試料 20にレーザー光 29が入射すると、上述のように、試料 20の 1 対の穴の隔壁部から局在化した光が出される力その近接場における光強度に応じて金プローブ 26に分極が生じるので、その分極による光を上方に出光するのである

[0078] さらに、近接場観測用装置には、金プローブ 26からの光を受ける装置として、対物レンズ 31と、ピンホーノレ 32と、ノヽーフミラー 37と、 CCDカメラ 39と、ディスプレイ 36と、光電子増倍管 33とが配置されている。 CCDカメラ 39に撮影されたプローブおよび試料のファーフィールド像はディスプレイ 36に表示される。また、光電子増倍管 33で増幅された信号は、ローパスフィルタ（LPF) 41,パソコン（PC) 42を経て、ピエゾステージコントローラ（PSTC) 43に送られ、ピエゾステージコントローラ 43により、 XYZピェゾステージ 23の変位位置が制御される。そして、 XYZピエゾステージ 23の作動により、試料 20と金プローブ 26との相対位置が制御される。

[0079] 図 21は、金プローブ 26の SEM写真図である。金プローブ 26の径は、約 400nmである。金プローブ 26は、蒸着により保持用ガラス板上に金薄膜を形成し、収束イオンビームカ卩ェにより、金薄膜をカ卩ェして形成されたものである。

[0080] 図 22 (a) , (b)は、本実施例のサンプル、および比較例のサンプルにおける近接場の光強度分布を示すデータである。図 22 (a) , (b)の光強度は、いずれも相対的な強度にすぎない。図 22 (a) , (b)に示すデータは、図 8 (a) , (b)に示すように t方向の偏光を入射した場合における， 1対の正方形の穴の付近の光強度分布を示して、る。図 22 (a) ίま、 1対の正方形穴の各辺力 S400nm (約 0. 63 λ ) (径カ S約 0. 89 λ )である、本実施例のデータである。図 2 (b)は、 1対の正方形穴の各辺が 800nm (約 1. 2 6 λ ) (径が約 1. 78 λ )である、比較例のデータである。いずれの場合も、 1対の孔の隔壁部の厚みは、およそ lOOnmである。

[0081] 図 22 (a)において、領域 Rl, R2, R3, · ··, R7の順に光強度が高ぐ領域 R1が最大光強度を示す領域である。これらの領域以外の領域においては、領域 R7よりも光強度が低いので、領域の表示を省略している。図 22 (a)に示すように、 1対の正方形の相対向している隔壁部（図 8 (a) , (b)参照）における光強度が最も高ぐ実施例 1 における結果と一致して、る。

[0082] 図 22 (b)にお!/ヽて、領域 RIO, Rl l, R12, R13, · ··, R17の川頁に 0.光強度力高く、領域 R10が最大光強度を示す領域である。これらの領域以外の領域においては、領域 R17よりも光強度が低いので、領域の表示を省略している。図 22 (b)に示すように、一方の穴においては、中心付近の領域 R10における光強度が最も高ぐ他方の正方形においても、中心付近の領域 R14における光強度が最も高い。つまり、穴の径カ照射されるレーザ光の波長えよりも大きい場合には、出口側に達する光のうち、表面プラズモンによる成分は、各穴を直接通過する成分に比べて弱いので、隔壁部付近における光強度は相対的に小さい。なお、各正方形における中心付近の領域における光強度に差が生じるのは、光プローブ 26が正確に 1つの穴の中間位置に位置して、な力つたことにより生じた実験誤差によるものと思われる。

[0083] ところ力図 22 (a)力わ力るように、 1対の穴の径が照射されるレーザ光の波長 λ 以下になると、出口側に達する光のうち、孔を直接通過する成分は弱くなるので、表面プラズモンによる成分が相対的に強くなる。その結果、本来光がほとんど通過しないはずの隔壁部の出口側における光強度が相対的に最大となる。つまり、本実施例により、光プローブの近接場における光強度分布を直接検知することにより、実施例 1の測定結果が正しいことが証明され、本発明の効果が実証されたことになる。

産業上の利用可能性

[0084] 本発明の光プローブは、近接場光顕微鏡や光メモリなどに局在化した光を照射するちのとして禾 IJ用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] プラズモン活性媒質によって構成される導波路部材と、

上記導波路部材に波長 λの光を導入する光導入部材とを備え、

上記導波路部材は、最小壁厚が（1Z2) λ以下である隔壁部を挟んで対向する，径が λ以下の少なくとも 2つの穴を有している、光プローブ。

[2] 請求項 1の光プローブにおいて、

上記導波路部材の少なくとも 2つの穴は、円形の貫通穴である、光プローブ。

[3] 請求項 2の光プローブにおいて、

上記導波路部材を構成する材料は Auであり、

上記導波路部材の厚さは、 0. 1え〜 0. 15 λである、光プローブ。

[4] 請求項 1の光プローブにおいて、

上記導波路部材の少なくとも 2つの穴は、コーナー同士が相対向している矩形の貫通穴である、光プローブ。

[5] 請求項 4の光プローブにおいて、

上記導波路部材を構成する材料は Auであり、

上記導波路部材の厚さは、 0. 08え〜 0. 12 λである、光プローブ。

[6] 請求項 1〜5のうちいずれ力 1つの光プローブにおいて、

上記導波路部材の少なくとも 2つの穴の径は、いずれも（1Z4) λ以下である、光プローブ ₀

[7] 請求項 1〜6のうちいずれ力 1つの光プローブにおいて、

上記導波路部材の隔壁部の最小壁厚は、（1Z5) λ以下である、光プローブ。

[8] 請求項 1〜7のうちいずれ力 1つの光プローブにおいて、

上記少なくとも 2つの穴の組を複数組備えて、る、光プローブ。