WO2007072806A1

WO2007072806A1 - 近接場光分布伝送素子

Info

Publication number: WO2007072806A1
Application number: PCT/JP2006/325242
Authority: WO
Inventors: Satoshi Kawata; Jun-Ichi Kato; Atsushi Ono
Original assignee: Riken
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-06-28
Also published as: JP2007171416A; JP4847123B2; US20090067028A1; US7957068B2

Abstract

　超解像近接場をより自由度の高い波長条件下でより長距離伝送することができるようにし、また、単に像を等倍に伝送するのみならず、像を拡大して伝送することができるようにして、近接場画像の処理技術の向上を図り、かつ、誘電率εｍが周囲媒質の誘電率εｄに対して「εｍ≦－εｄ」である所定の材料により少なくとも外周部位を形成された微小ロッドを、２次元平面に対して軸方向がそれぞれ所定の方向に延長するようにして、上記２次元平面上に互いに所定の間隔を開けて複数立設するように配置し、上記複数立設するように配置した微小ロッドの一方の端部側へ近接場光を入射するようにした。

Description

明細書

近接場光分布伝送素子

技術分野

[0001] 本発明は、近接場光分布伝送素子に関し、さらに詳細には、物質のイメージングを行う際に用いて好適な近接場光分布伝送素子に関する。

背景技術

[0002] 従来より、光は、大気中を伝搬し、かつ、紫外から赤外まで幅広い帯域で物質情報を伝えることができ、また、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡とは異なり、大気中や水中でも物質のイメージングが可能なプローブとして知られている。

こうした光を用いたイメージングは、例えば、生きた細胞のサブ波長レベルの観察を行うことを要求されるバイオサイエンスなどの分野においても、極めて重要な技術であると認識されている。

し力しながら、従来の光を用いたイメージングにおいては、光の波動性に起因する解像力の限界が存在するという問題点があった。即ち、光による像の解像は、光の回折現象のため高々波長オーダーのサイズ (数 lOOnm)が限界であった。

このように、通常の顕微鏡的手法では、波長オーダーを超える空間分解能を得ることは困難であり、特に、近接場光が関与する物体表面近傍に局在するフオトンが担うサブ波長オーダーの微細構造情報を画像化するためには、プローブ走査に時間を要する近接場顕微鏡 (NSOM)が必要であった (非特許文献 1参照)。

この NSOMは、あくまで近接場光分布のプローブ走査による画像化や分析を行うことを目的として開発されたものであり、こうした情報を伝送したり並列的な処理をカロえたりするなどの用途に適するものではない。

つまり、サブ波長オーダーの微細構造情報を画像ィ匕するための装置としては、従来より NSOMが用いられていた力サブ波長の近接場画像を伝送する手法は提案されておらず、こうした手法の提案が強く望まれていた。

[0003] ところで、近年、厚さ数 lOnmの金属薄膜は超高解像度のレンズとして作用するという理論的提案がなされ (非特許文献 2参照）、最近になって実験によりその有効性が確認されて!ヽる (非特許文献 3参照)。

し力しながら、上記した非特許文献 2および非特許文献 3に開示された手法は、厚さ数 lOnm程度の極めて薄い金属膜を用いた像形成の手法であり、動作周波数や当該金属膜の膜厚条件などの制約が極めて厳しぐリソグラフィなどの実際の応用においては多くの技術的困難が存在するとともに、金属の損失による画像のぼけも避けらなヽと、う問題点があった。

一方、金属ナノワイヤを用いて電子の波として光波を伝送する手法も提案されてヽるが（非特許文献 4参照）、この手法にぉ、てもリソグラフィなどの実際の応用にお!/ヽて多くの技術的困難が存在するという問題点が指摘されていた。

非特干文献 1 : S. Kawata et al. ed. Nano— Optics , Springer series m optical science (2002)

非特許文献 2 : B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000)

非特許文献 3 : N. Fang, et al. Science, 308, 534 (2005)

非特許文献 4 :J. Takahara, et al. Opt. Lett. 22, 475 (1997)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超解像近接場光をより自由度の高い波長条件下でより長距離伝送することができるようにした近接場光分布伝送素子を提供しょうとするものである。

また、本発明の目的とするところは、単に像を等倍に伝送するのみならず、像を拡大して伝送することができるようにして、近接場画像の処理技術の向上を図ることができるようにした近接場光分布伝送素子を提供しょうとするものである。

課題を解決するための手段

[0005] 上記目的を達成するために、本発明は、紫外力遠赤外にわたる電磁波域において、その波長と比較して非常に小さな径の微小ロッド (例えば、金属よりなるものであるが円柱形状に限らない。）を所望のノターン (例えば、正方的または六方稠密である。 )に配列したアレイを形成し、当該微小ロッドの一方側の端面と結合する近接場光を数 10nm力も波長オーダー以上の長さの当該微小ロッドの他方側の端面に効率よく伝搬させるようにしたものである。

また、本発明は、微小ロッドを軸方向に分割して、微小ロッドを軸方向に複数連結したアレイ構造を形成し、短波長により長距離伝搬を可能にしたものである。

こうした本発明の伝送モードは共鳴を用いており、本発明によれば、超高解像度のイメージングゃ近接場光の 2次元長距離光伝送を実現することができるものであり、近接場光分布を波長オーダー以上の長さの距離に伝送することができるようになる。即ち、本発明は、光の回折による波長の限界を越えて、光を使いながらもナノサイズのイメージングを行うことが可能なものであり、従来とは全く異なる新規な原理に基づく手法を提供するものである。こうした本発明によれば、従来の手法では達成し得なカゝつた伝搬距離における近接場像情報を伝送することができ、また、伝送した情報を記録することができるようになり、それによるパターユング応用や回折限界以下のサブ波長領域のイメージング、さらには微小ロッドを軸方向に複数連接する場合に、当該微小ロッドの配列が後段側が拡開するように配置することにより、伝搬した像を拡大することができるなどの作用効果が得られる。

換言すれば、本発明は、例えば、銀よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱などの金属ナノ構造体よりなる微小ロッドの軸方向の電子の振動（局在プラズモン)を利用して、微小ロッドにより波長を遙かに下回る分解能の画像情報を伝送することができるものであり、ナノメートル領域での光の新、応用技術開発への重要な貢献をなすものである。

なお、これまでナノマテリアルといえばカーボン系か半導体系あるいは有機分子材料に限られていた力本発明により、金属ナノ構造体がナノマテリアルの有力な材料の 1つであることが明らかになった。

以下、本発明の理解を容易にするためにその原理について説明する力本発明は、光の波動性に起因する解像力の限界を超えて、ナノメートルオーダーの画像の伝送を行うことを可能にするものであって、例えば、銀よりなる直径がナノメートルオーダ一の円柱を 2次元的に並べた配列（以下、「2次元金属ナノ円柱配列」と適宜に称する。）を用いて、 2次元金属ナノ円柱配列の軸方向の一方側の端部から他方側の端部へ波長の限界を越えて完全に情報を伝達することができるようにしたものである。ここで、例えば、銀よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱状の金属ナノ構造体に近接場光を入射すると、金属ナノ構造体の表面に局在表面プラズモンポラリトンが誘起される。近年、表面プラズモンポラリトンを利用したナノイメージング、ナノリソダラフィある、はプラズモニック結晶などの研究が盛んに行われており、ナノプラズモニタスと、う新し、研究分野として注目されて、る。

即ち、ナノフォト-タスにおいて、光をナノメートルオーダーの領域に閉じこめるための有望な方法の一つに表面プラズモンポラリトン（SPP： Surface Plasmon Polari ton)の利用がある。表面プラズモンポラリトンは、金 (Au)や銀 (Ag)に代表される貴金属の内部における自由電子の集団的な振動現象であるプラズモンカ、金属表面において外部の光と相互作用して表面に強く閉じこめられた状態で伝搬する波となつたものである（図 1参照)。もし金属が小さく閉じた形状、例えば、数〜数 10nmの直径の球や円柱形状になると、この表面プラズモンポラリトンは容易に光と結合し、微小な領域に光を閉じこめることができる。これは局在表面プラズモンポラリトンと呼ばれ（図 2参照）、その共鳴を介して特定の色の光を強く散乱し、ステンドグラスの発色などの原因となることが良く知られて、る。

本発明は、特に、直径がナノメートルオーダーの柱状体よりなる微小ロッド、例えば、金属よりなる直径がナノメートルオーダーの円柱状の微小ロッド（以下、「金属ナノ円柱微小ロッド」と適宜に称する。 )における、この現象の近接場光との相互作用に着目したものである。

ここで、近接場光は、通常の光のように遠方に伝搬せず物体の表面にまとわりついた光であると言える。光の波長を遙かに下回るサイズの物質の微細構造に関する情報を担って!/、る。上記した金属ナノ円柱微小ロッドにおける局在表面プラズモンボラリトンの円柱軸方向の振動は、この近接場と特に強く相互作用するので、図 3を参照しながら後述するように金属ナノ円柱微小ロッドを 2次元あるいは 3次元的に配列することにより、配列の一方の端面側における近接場光の分布を円柱軸に沿った共鳴的な電子振動（局在表面プラズモンポラリトン）に変換して他方の端面側に送ることで、一種の並列的なイメージング法が実現できるものである。本発明は、こうした原理に基づくものである。

[0007] 即ち、本発明は、誘電率 ε が周囲媒質の誘電率 ε に対して「 ε ≤— ε 」である m d m

所定の材料により少なくとも外周部位を形成された微小ロッドを、 2次元平面に対して軸方向がそれぞれ所定の方向に延長するようにして、上記 2次元平面上に互いに所定の間隔を開けて複数立設するように配置し、上記複数立設するように配置した微小ロッドの一方の端部側へ近接場光を入射するようにしたものである。

[0008] また、本発明は、上記微小ロッドは略円柱形状であるようにしたものである。

[0009] また、本発明は、上記微小ロッドの直径は、上記微小ロッドへ入射される近接場光の波長の略 1Z2以下であるようにしたものである。

[0010] また、本発明は、上記所定の間隔は、上記微小ロッドの周囲にしみ出す電場が隣接する上記微小ロッドに結合しない距離であるようにしたものである。

[0011] また、本発明は、上記微小ロッドの長さは、 10 m以下であるようにしたものである

[0012] また、本発明は、上記周囲媒質は、「 ε ≥1」である誘電体または半導体であるよう d

にしたものである。

[0013] また、本発明は、上記誘電体は、ガラス、 SiOまたは Al Oであり、上記半導体は、

2 2 3

Si、 GaAs、 GaNまたは AlAsであるようにしたものである。

[0014] また、本発明は、上記所定の材料は、 Ag、 Au、 Cu、 Al、 Nほたは Ptであるようにしたものである。

[0015] また、本発明は、上記微小ロッドを所定の間隙を開けて軸方向に複数連接したものである。

[0016] また、本発明は、上記所定の間隙は、 30nm以下であるようにしたものである。

[0017] また、本発明は、上記軸方向に複数連接した上記微小ロッドは、上記 2次元平面に対する軸方向が異なる方向に延長したものである。

発明の効果

[0018] 本発明によれば、超解像近接場をより自由度の高い波長条件下でより長距離伝送することを可能にした近接場光分布伝送素子を提供することができるという優れた効果が奏される。また、本発明によれば、単に像を等倍に伝送するのみならず、像を拡大小して伝送することが可能になり、近接場画像の処理技術の向上を図ることのできる近接場光分布伝送素子を提供することができるという優れた効果が奏される。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、表面プラズモンポラリトンの説明図である。

[図 2]図 2は、局在表面プラズモンポラリトンの説明図である。

[図 3]図 3は、本発明による近接場光分布伝送素子の第 1の実施の形態の概念構成斜視説明図である。

[図 4]図 4は、本発明による近接場光分布伝送素子の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。

[図 5]図 5は、本発明による近接場光分布伝送素子の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。

[図 6]図 6は、本発明による近接場光分布伝送素子の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図であり、図 6 (a)は、微小ロッドの端部 14aと光源との距離と伝送強度の関係を示しており、図 6 (b)は微小ロッドの間隔 gと伝送強度との関係を示している。

[図 7]図 7は、本発明による近接場光分布伝送素子の第 2の実施の形態の概念構成斜視説明図である。

[図 8]図 8は、本発明による近接場光分布伝送素子の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。

[図 9]図 9は、本発明による近接場光分布伝送素子の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。

[図 10]図 10は、本発明による近接場光分布伝送素子の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの説明図である。

[図 11]図 11は、本発明による近接場光分布伝送素子の第 2の実施の形態の変形例の概念構成斜視説明図である。

[図 12]図 12は、本発明による近接場光分布伝送素子の特性を制御するための各パラメータの設定範囲と特性との関連性を示す図表である。すグラフであり、微小ロッドの長さ hと共鳴波長の関係の一例である。また、内側のグラフは微小ロッドの長さ hが 150nmの場合の共鳴周波数を示している。

[図 14]図 14は、微小ロッドを積層する際の間隙 gapの距離と共鳴周波数との間の関係を示すグラフであり、微小ロッドの直径 dを 20nm、長さ hを 50nmとし、 3層積層した場合のものである。

符号の説明

[0020] 10 近接場光分布伝送素子

12 周囲媒質

14 微小ロッド

14a 端部

14b 端部

100 近接場光分布伝送素子

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、添付の図面を参照しながら、本発明による近接場光分布伝送素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

[0022] まず、図 3には、本発明による近接場光分布伝送素子の第 1の実施の形態の概念構成斜視説明図が示されて!/ヽる。

この近接場光分布伝送素子 10は、誘電率 ε 力^ ε ≥1」である誘電体や半導体

d d

などの周囲媒質 12中に、直径 dがナノメートルオーダー（例えば、 20nmである。）であり、かつ、軸方向の長さ（Z方向に沿う高さ） hがナノメートルオーダー（例えば、 50η mである。）である銀 (Ag)よりなる中実の、例えば、円柱形状の微小ロッド 14を、 XY Z直交座標系における 2次元平面である XY平面に対して軸方向がそれぞれ Z方向に延長するようにして、 XY平面上に互いに所定の間隔 g (間隔 gは、微小ロッド 14の周囲にしみ出す電場が隣接する微小ロッド 14に結合しない距離である。例えば、周囲媒質 12の屈折率が 1であり、直径 dが 20nmである場合には、間隔 gは 40nm以上である。なお、この場合には、間隔 gは、隣合う微小ロッド 14の中心から中心までの距離である。 )を開けて複数立設するように配置して構成されて、る。そして、これら複数立設するように配置した微小ロッド 14の一方の端部 14a側へ、近接場光を入射するように構成されて、る。

この図 3に示す近接場光分布伝送素子 10は、上記した微小ロッド 14を XY平面上に一層に配列化したものである。

[0023] 以上の構成において、近接場光分布伝送素子 10においては、微小ロッド 14の一方の端部 14a側に近接場光が入射されると、微小ロッド 14の一方の端部 14a側から他方側の端部 14bへ、近接場光に含まれる情報を波長の限界を越えて伝達することができる。

ここで、本願発明者は、近接場光分布伝送素子 10の微小ロッド 14の直径 d、微小ロッド 14の長さ h、間隔 gおよび周囲媒質 12の屈折率などの素子パラメータや光源の周波数を変化させた際のイメージ伝送効率の関係について、 3次元有限差分時間領域（Finite— Difference Time Domain： FDTD)法と呼ばれる数値計算シミュレーシヨンを行った。

この 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションにおいては、数百 nm立方のモデル空間を lnmのメッシュに区切り、金属部分は Drudeモデルという自由電子金属を仮定して、実際の金や銀に近い条件で計算を行った。光源としては、入力側である一方の端部 14a近傍に微小ロッド 14の軸方向と同じ方向に振動する双極子振動子として Z 偏光双極子（Z— polarized dipoles)を配置した。

以下、上記した 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの結果について説明する。

[0024] まず、図 4には、複数の微小ロッド 14たる複数の銀ロッド (Ag rods)の直径 dが 20 nmであり、微小ロッド 14の長さ hが 50nmであり、間隔 g力 0nmである近接場光分布伝送素子 10の数値計算シミュレーションの結果が示されている。

なお、図 4において、（a)は近接場光分布伝送素子 10の構成を示している。また、図 4において、（a)の下方には近接場光分布伝送素子 10に対する各面の位置関係の説明図が示されており、（b)は近接場光分布を示す物体面 (Object plane)を示し、（c)は微小ロッド 14の一方の端部 14aに位置する面を示し、（d)は微小ロッド 14 の長さ方向の中間に位置する面を示し、 (e)は微小ロッド 14の他方の端部 14bに位置する面を示し、（f)は像面 (Image plane)を示し、（g)は焦点はずし面 (Out of focus)を示して、る。

この図 4に示されているように、微小ロッド 14の一方の端部 14aにおける近接場光の分布を微小ロッド 14の軸方向に沿った共鳴的な電子振動（局在表面プラズモンポラリトン）に変換して他方の端部 14b側へ送ることで、並列的なイメージング法が実現されている。

次に、図 5および図 6には、微小ロッド 14の軸方向に沿った縦共振現象と諸特性に関するグラフが示されている力様々なサイズの微小ロッド 14および微小ロッド 14の配列にっ、て数値シミュレーションを行ってその特性を調べたところ、微小ロッド 14の直径 dと長さ hを決めると、それに対して局在プラズモンの電子振動が最も強く出力端である他方の端部 14bに現れる最適の周波数があった。

例えば、円柱形状の微小ロッド 14の直径 dが 20nmであり、微小ロッド 14の長さ hが 50nmであり、間隔 gが 40nmである近接場光分布伝送素子 10では、波長 500nmの緑色の光と強く共鳴し、図 5に示したように、近接場光分布伝送素子 10の微小ロッド 14の出力側の端部 14bに強いホットスポット（図 5のイメージ図において白色で示された領域である。なお、こうしたホットスポットは、他の図においても同様に白色で示す。）を生じさせ、横方向への漏れが殆ど生じない。

また、光源の双極子振動子と微小ロッド 14の端部 14aとの間の距離を変化させたところ、光源と微小ロッド 14との結合に強い距離依存性があった（図 6参照)。このことは、近接場光分布伝送素子 10が近接場光と極めて強い相互作用を持つことを示している。

上記のようにして、様々なサイズの微小ロッド 14およびその配列につ!、て、数値シミユレーシヨンを行ってその特性を求めたところ、微小ロッド 14の直径 dと長さ hを決めると、それに対して局在プラズモンの電子振動が最も強く出力端に現れる最適の周波数があることがわ力つた。

これらの結果から、近接場光分布伝送素子 10において適切な光源波長を選べば、近接場光の情報を高い空間分解能で効率よぐ近接場光分布伝送素子 10の入力側たる端部 14a側から出力側たる端部 14b端へ伝送できるものである。また、上記の設計パラメータでの伝送されるイメージの空間分解能は、微小ロッドを配置するピッチたる間隔 gに依存して決定され、円柱形状の微小ロッド 14の直径 dが 20nmであり、微小ロッド 14の長さ hが 50nmであり、間隔 g力 Onmである近接場光分布伝送素子 10では 40nmとなる。

ここで、長さ hがより長い微小ロッド 14を用いてイメージ伝送する際には、その長さに依存したより高い共鳴モードに対応する波長成分を使うことにより、微小ロッド 14の長さ h分だけイメージ伝送を行うことが可能である。

さらに、近接場光分布伝送素子 10の出力側の端部 14bに蛍光色素や半導体ナノ粒子を配置することにより、出力画像を伝搬光に変換することもできる。

[0026] 以上にぉ、て説明したように、近接場光分布伝送素子 10は、新規なプラズモニック構造としてナノメートルオーダーの銀などの金属により形成された微小ロッド 14のァレィを用いるようにしたものであり、アレイの入力面に置かれた回折限界以下の近接場 2次元パターンが微小ロッド 14の配列、即ち、プラズモニックナノロッドアレイを介してぼけることなく出力端に転写されるものであり、このことは 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションにより示された。

この超解像イメージングのメカニズムには、上記した微小ロッド 14固有の局在プラズモン共鳴が寄与しているものであり、そのため共鳴波長により像を高効率に伝送することができるちのである。

[0027] 次に、本発明による近接場光分布伝送素子の第 2の実施の形態について説明する。まず、図 7には、本発明による近接場光分布伝送素子の第 2の実施の形態の概念構成斜視説明図が示されており、この近接場光分布伝送素子 100は、微小ロッド 14 を所定の間隙 gapを開けて軸方向に複数（図 7に示す構造においては 2個である。）連接した積層構造を備えている点において、上記した第 1の実施の形態による近接場光分布伝送素子 10とは異なる。

図 8には、微小ロッド 14たる銀ロッドの直径 dが 20nmであり、微小ロッド 14の長さ h 力 Onmであり、間隔 gが 40nmであって、間隙 gapを 2〜30nmに変化させた近接場光分布伝送素子 100の 3次元有限差分時間領域法による数値計算シミュレーションの結果が示されている。ここで、図 8 (a)には、この数値計算シミュレーションにおいて用いた近接場光分布伝送素子 100の構成を示すものであり、間隙 gapを開けて長さ hが 50nmの 3個の微小ロッド 14が軸方向に沿って連接された積層構造を備えて、る。

こうした長さ hが 50nmの 3個の微小ロッド 14が軸方向に沿って連接した近接場光分布伝送素子 100によれば、長さ hが 150nmの微小ロッド 14を用いた場合の最適動作波長が 1094. 85nmであるのに対し（図 8 (b)参照）、動作波長が 528. 32nmとなり短波長化することができる（図 8 (c)参照)。また、出力側端部における強度についても、近接場光分布伝送素子 100の方が大きくなる（図 8 (b) (c)参照)。

なお、図 8 (d)には、間隙 gapを変化させた場合の transmittance (なお、 transmit tanceとは、伝送透過率（デシベル）を意味する。）および MaxFreq@IP (なお、 Ma xFreq@IPとは、像面における最適伝送周波数を意味する。）の変化を示すグラフが表されている。

そして、図 9には、長さ hが 50nmの 2個の微小ロッド 14が軸方向に沿って連接した近接場光分布伝送素子 100について、間隙 gapを 5nm、 10nmおよび 20nmと変化させた場合のイメージ図が示されている。なお、微小ロッド 14は、直径 dが 20nmの銀ロッドであり、間隔 gは 40應とした。

この図 9に示す例においては、間隙 gapを 10nmのときが最もよく近接場光を伝送していることが示されている。

なお、図 10には、図 9に示す例に用いた微小ロッド 14を軸方向に沿って 10個連接した近接場光分布伝送素子 100の数値計算シミュレーション結果のイメージ図が示されている。

このように、微小ロッド 14を軸方向に沿って 10個連接した近接場光分布伝送素子 1 00にお、ても、近接場光の伝送が可能であることが示されてヽる。

即ち、複数の微小ロッド 14を単層に配列したのみでは、伝送長ならびに光源波長の自由度が制限されることになるが、微小ロッド 14を軸方向に積層するように構成すると、 2次元近接場をより長距離伝送することが可能となり、また、波長オーダーの距離でのイメージ伝送を行うことができるようになる。

即ち、微小ロッド 14を軸方向に積層するように構成することにより、長いロッドが持つ長波長かつ高次モードの局在プラズモン共鳴を誘起することなぐ可視光領域で波長オーダーの長距離光伝送が可能になる。その結果、近接場光分布伝送素子 10 0によれば、同一の距離を伝送するに際して、その伝送効率は微小ロッド 14を単層に形成した場合 (近接場光分布伝送素子 10を参照する。）と比較して 3倍向上し、積層間距離である間隙 gapを制御することで、伝送光周波数を容易に選択できることがでさるよう〖こなる。

次に、図 11には、伝送する像の倍率を拡大するための構成が示されている。即ち、微小ロッド 14を間隙 gapを開けて積層する際に、近接場光分布伝送素子 100を構成する複数の微小ロッド 14の束の外径方向へ出力側の端部が向くように微小ロッド 14 を積層すると、伝送する像の倍率を拡大して伝送することができる。

また、上記したように、出力側の端部に蛍光色素や量子ドットを形成しておくと、伝搬光へ変換することができる。

ここで、図 12には、近接場光分布伝送素子 10および近接場光分布伝送素子 100 の特性を制御するための各パラメータの設定範囲と特性に関する図表が示されている。

即ち、微小ロッド 14の直径 dについては、その最小値はナノメーターオーダーであり、その最大値は使用波長の 1Z2程度の範囲である。なお、微小ロッド 14の直径 dが大きくなると、共鳴波長は短波長側へシフトする。

また、隣り合う微小ロッド 14同士の間隔 gは、 1本の微小ロッド 14の周囲にしみ出す電場が隣接する微小ロッド 14に結合しない距離である。この距離は周囲媒質 12の屈折率により変化し、屈折率が大きくなるほど当該距離である許容間隔は小さくなる。例えば、周囲媒質 12の屈折率が 1であり、微小ロッド 14の直径が 20nmである場合には、当該距離 (許容間隔）は 40nm以上である。

次に、微小ロッド 14の長さ hであるが、当該長さ hは、例えば、数 nm以上であり、原理的な限界は使用波長との兼ね合いで決まる。なお、単一のロッドについては、 10 m程度まで報告がある（「R. M. Dickson and L. A. Lyon, J. Phys. Chem . B 104, 6095 (2000) .」参照）。

また、微小ロッド 14のアスペクト比（長さ hZ直径 d)と共鳴波長との間には図 13に例示する線形関係があり、周囲媒質 12の屈折率を含めて、近接場光分布伝送素子 10 および近接場光分布伝送素子 100を設計する際の自由度は大きい（「J. R. Krenn , G. schider, W. Rechoerger, B. Lamprecht, A. Leitner, F. R. Aus senegg, and J. C. Weeber, Appl. Phys. Lett. 77, 3379 (2000) .」参照)。

さらに、微小ロッド 14の材質については、微小ロッド 14の誘電率 ε 力

m

ε ≤- ε ( ε ：周囲媒質 12の誘電率）

m d d

を満足する導電体である。具体的には、 Ag、 Au、 Cu、 Al、 Niあるいは Ptなどであるまた、周囲媒質 12の材料は、誘電率 ε 1S

d

ε ≥1

d

の誘電体や半導体である。具体的には、誘電体としてはガラス、 SiO

2や Al O

2 3などが用いられ、半導体としては Si、 GaAs、 GaNあるいは AlAsなどが用いられる。なお、屈折率 nについては、

が大きいと、共鳴波長は長波長側へシフトする。

次に、動作波長については、使用する微小ロッド 14の材料で決まるプラズモンの励起波長 λ 以上の波長が必要である。具体的には、 Auで 390nm程度であり、 Agで 3

P

60nm程度である。なお、その限界波長以上では任意の波長で伝送は生じるが、上記のように設定すると共鳴波長で効率が高、。

間隙 gapを開けて複数の微小ロッド 14を軸方向に連接して積層する場合には、間隙 gapは 30nm以下である。なお、間隙 gapが 0に近づくに従って、連続した長い単一の微小ロッド 14の共鳴条件に収斂され、間隙 gapが大きくなるに従って、短波長側にシフトして短い単一の微小ロッド 14の共鳴条件に収斂される（図 14参照)。

なお、上記した近接場光分布伝送素子 10および近接場光分布伝送素子 100は、例えば、近年発展の著しい自己組織ィ匕的な化学処理により得られるナノホール配列形成のテクニックや通常の半導体プロセスにより比較的容易に作成できるものであり、具体的には、従来より周知の陽極酸ィ匕アルミナのホール配列形成による金属ロッドテンプレート法、金属との誘電体との交互電気メツキ法、反転転写法あるいは 2光子吸収レーザーアブレーシヨンによるホール形成によるテンプレート作成法などを用いて作製することができる。

[0030] なお、上記した実施の形態は、以下の（1)〜 (4)に示すように変形することができるものである。

(1)上記した実施の形態においては、伝送用ロッドとして中実の金属ロッドを用いた力これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図 12を参照しながら説明した材料であれば金属以外の材料を用いてもよぐこうした材料によって中実なロッドを形成して微小ロッド 14として用いてもよい。

(2)上記した実施の形態においては、伝送用ロッドとして中実の金属ロッドを用いた力これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図 12を参照しながら説明した材料でないガラス材料ゃ榭脂材料の表面に、図 12を参照しながら説明した材料をコーティングして微小ロッド 14として用いてもよぐあるいは、図 12を参照しながら説明した材料を上面と下面とが閉塞された中空な筒状に成型して微小ロッド 14として用いてもよい。

(3)上記した実施の形態においては、微小ロッド 14は円柱状の形状を備えるものとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、三角柱状、四角柱状あるいは五角以上の多角柱状の形状を備えるようにしてもょ、。

(4)上記した実施の形態ならびに上記した（1)〜（3)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよヽ。

産業上の利用可能性

[0031] 本発明は、集積回路製造におけるリソグラフィー、新素材の開発あるいはバイオサィエンス研究などに利用することができる。より詳細には、本発明は、新世代ナノリソグラフィゃ新しヽバイオイメージングなどナノ領域での画像伝送用のデバイスへ利用することができる。また、単なるイメージング応用にとどまらず、従来の微小光学デバイスと電子デバイスの新し、ナノインターフェースや、極めてコンパクトなプラズモン波の干渉デバイスなどへも利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 誘電率 ε

mが周囲媒質の誘電率 ε

dに対して

ε <— ε

m d

である所定の材料により少なくとも外周部位を形成された微小ロッドを、 2次元平面に対して軸方向がそれぞれ所定の方向に延長するようにして、前記 2次元平面上に互 V、に所定の間隔を開けて複数立設するように配置し、

前記複数立設するように配置した微小ロッドの一方の端部側へ近接場光を入射するよつにした

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[2] 請求項 1に記載の近接場光分布伝送素子にお!、て、

前記微小ロッドは略円柱形状である

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[3] 請求項 2に記載の近接場光分布伝送素子において、

前記微小ロッドの直径は、前記微小ロッドへ入射される近接場光の波長の略 1Z2 以下である

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[4] 請求項 1、 2または 3のいずれか 1項に記載の近接場光分布伝送素子において、前記所定の間隔は、前記微小ロッドの周囲にしみ出す電場が隣接する前記微小口ッドに結合しな、距離である

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[5] 請求項 1、 2、 3または 4のいずれ力 1項に記載の近接場光分布伝送素子において前記微小ロッドの長さは、 10 m以下である

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[6] 請求項 1、 2、 3、 4または 5のいずれか 1項に記載の近接場光分布伝送素子において、

前記周囲媒質は、

ε ≥1 である誘電体または半導体である

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[7] 請求項 6に記載の近接場光分布伝送素子において、

前記誘電体は、ガラス、 SiOまたは Al Oであり、

2 2 3

前記半導体は、 Si、 GaAs、 GaNまたは AlAsである

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[8] 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6または 7のいずれか 1項に記載の近接場光分布伝送素子において、

前記所定の材料は、 Ag、 Au、 Cu、 Al、 Nほたは Ptである

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[9] 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7または 8のいずれ力 1項に記載の近接場光分布伝送素子において、

前記微小ロッドを所定の間隙を開けて軸方向に複数連接した

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[10] 請求項 9に記載の近接場光分布伝送素子において、

前記所定の間隙は、 30nm以下である

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。

[11] 請求項 9または 10のいずれか 1項に記載の近接場光分布伝送素子において、前記軸方向に複数連接した前記微小ロッドは、前記 2次元平面に対する軸方向が異なる方向に延長した

ことを特徴とする近接場光分布伝送素子。