(57)【要約】【課題】ナノプローブにより、所望とする活性媒質をナノスロットに選択的に配置できるようにする。【解決手段】ナノプローブ１０８が取り出した活性媒質片１０９を、ナノスロット１０４の形状に合わせて加工し、より小さく加工した活性媒質小片１１１とする（第４工程）。例えば、イオンビーム１１０の照射により、ナノスロット１０４の内部に配置するために適した３次元形状に形成（加工）した活性媒質小片１１１とする。活性媒質小片１１１への加工は、ナノプローブ１０８で保持した状態で実施する。【選択図】  図１Ｅ
2020004753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスロットを備える光デバイス基本構造を作製する第１工程と、
活性媒質による層を作製する第２工程と、
ナノプローブにより前記層の一部を取り出して活性媒質片を形成する第３工程と、
前記ナノプローブが取り出した前記活性媒質片を前記ナノスロットの形状に合わせて加工してより小さい活性媒質小片とする第４工程と、
前記ナノプローブにより取り出して加工した前記活性媒質小片を前記ナノスロットに配置する第５工程と
を備えることを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の光デバイスの製造方法において、
前記層は、前記ナノスロットより小さい前記活性媒質の粒子が分散されていることを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の光デバイスの製造方法において、
前記第４工程では、イオンビームの照射により前記活性媒質片を前記ナノスロットの形状に合わせて加工して前記活性媒質小片とすることを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法において、
前記光デバイス基本構造は、フォトニック結晶共振器であり、
前記ナノスロットは、共振器中心に配置されている
ことを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法において、
前記光デバイス基本構造は、２つの金属パターンから構成されたプラズモン導波路であり、
前記ナノスロットは、前記２つの金属パターンの間に配置されている
ことを特徴とする光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幅が２００ｎｍ以下のナノスロットを備える光デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、屈折率の異なる２種類以上の媒体からなる周期結晶構造を有する人工素材であり、光の伝播・屈折・反射の制御や光の捕獲等の機能を有する。フォトニック結晶中には、結晶周期の数倍程度の寸法の小さな体積に光を閉じ込めるナノ共振器を配置することが可能である。近年は更に、幅が２００ｎｍ以下の真空・空気ないし低屈折率媒体からなるスロット構造を、ナノ共振器中心に配置したフォトニック結晶共振器が提案されている（非特許文献１参照）。このスロット構造を用いたナノ共振器（スロットナノ共振器）では、適切な設計を与えることで、スロット内の電界を、スロットのない通常のナノ共振器に比べ大幅に増強できる。
【０００３】
スロットの幅は、フォトニック結晶周期よりも大幅に小さいため、スロットのない通常のナノ共振器に比べ、光閉じ込め体積は更に小さくなる。共振器モード体積（Ｖ）として、１（λ／２ｎ）3（λ：波長、ｎ：共振器中心の屈折率）を大きく下回る設計が、スロット配置により可能になる。この設計は、スロットのないナノ共振器では実現不可能とされている。
【０００４】
スロットナノ共振器においては、スロット内に光利得や光非線形効果を有する活性媒体、あるいは量子ドットやダイヤモンドＮＶセンターなどの発光中心を配置することで、これらと共振器モードとの光物質相互作用を著しく増強させ、高性能の光デバイスとして利用することが可能となる。また、スロットナノ共振器は、レーザー媒質や光吸収媒体として優れた特性を有し、最近研究開発が盛んにされているペロブスカイト系光学物質もスロットとの組み合わせで活性媒体として利用可能な有力候補である。
【０００５】
ところで、２つの金属パターンの間に、幅２００ｎｍ以下の平行なナノギャップを設けたＭＩＭ（metal-insulator-metal）導波路の研究開発が進められている（非特許文献２参照）。ＭＩＭ導波路では、プラズモンモードの電界をナノギャップ部分に強く閉じ込め、かつ電界強度を増強できることが示されている。この、ＭＩＭによるプラズモン導波路におけるナノギャップおよびナノギャップ内の電界は、寸法的にも物理的・物性的にも、前述したナノスロットと同等と考えることができる。スロット内に配置される活性媒質および作製に必要な技術および課題に関しては、スロットナノ共振器もナノギャッププラズモン導波路も共通であると考えてよい。
【０００６】
上述したナノスロット内への選択的な活性ナノ構造あるいは活性媒質を選択的に配置するためには、ナノファブリケーションが必要になる。しかしながら、現在、ナノスロット内への選択的な配置が可能な産業的に確立されたナノファブリケーション技術は存在しない。有力な技術として、ナノプローブを用いたポストプロセスがあげられる。ナノスケールの３次元表面観察が可能なＡＦＭ（Atomic Force Microscope）の技術を基本に、ＡＦＭプローブにより、ナノ物質を直接ピックアップし、ピックアップしたなの物質を移動して配置するＡＦＭリソグラフィが研究されている（非特許文献３参照）。例えば、ＡＦＭプローブにより、流体の塗布を可能としたディップペンリソグラフィ装置が市販開始されている。
【０００７】
また、ＡＦＭプローブ機能を有しないナノプローブによるナノマニピュレーション技術も研究されている（非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】倉持  栄一  他、「Ｈ１スロットナノ共振器による高Ｑ／Ｖ値の達成」、第６４回応用物理学会春季学術講演会  講演予稿集、16a-F202-8、２０１７年。
【非特許文献２】M. ONO et al., "Deep-subwavelength plasmonic mode converter with large size reduction for Si-wire waveguide", Optical Society of America, vol. 3, no. 9, pp. 900-1005, 2016.
【非特許文献３】A. Yokoo et al., "Subwavelength Nanowire Lasers on a Silicon Photonic Crystal Operating at Telecom Wavelengths", American Chemical Society, vol. 4, pp. 355-362, 2017.
【非特許文献４】M. Ono et al., "Nanowire-nanoantenna coupled system fabricated by nanomanipulation", Optics Express, vol. 24, no. 8, pp. 8647-8659, 2016.
【非特許文献５】倉持  栄  他、「高 Ｑ／Ｖ値 Ｈ１ スロットナノ共振器におけるスロット効果」、第７８回応用物理学会秋季学術講演会  講演予稿集、6a-A405-1、２０１７年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したナノスロットデバイスのスロット幅は、ナノスロットによる光強い閉じ込め効果および電界増強効果を得るために、通常１００ｎｍよりも大幅に狭い設計が用いられる。かつ、ナノスロットデバイスの性能を最大化するために、活性ナノ構造ないしナノ媒質は、スロット内のみに選択的に配置することが求められる。ＡＦＭリソグラフィなどの従来の製造技術では、ナノメートル単位の位置分解能および位置選択性は有している。
【００１０】
しかしながら、ＡＦＭをはじめとする従来のナノプローブでは、プローブ先端の曲率半径が１００ｎｍかそれ以上であり、ナノスロット内に活性媒質を選択的に充填配置するためにナノプローブの先端形状が十分鋭いとは言えない。現状のナノプローブにおいてスロット内に活性媒質を配置するためには、非特許文献３のナノワイヤのように、活性媒質がスロットに合わせた形状に自己形成されている必要がある。このため、活性媒質の形状がスロットに合わせた形状になっていない場合、あるいは量子ドットや発光中心を含むナノ粒子のようなスロットより小さいナノ活性媒体の場合、現在の技術では、ナノプローブによりスロット内に配置することができないという問題があった。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ナノプローブにより、所望とする活性媒質をナノスロットに選択的に配置できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光デバイスの製造方法は、ナノスロットを備える光デバイス基本構造を作製する第１工程と、活性媒質による層を作製する第２工程と、ナノプローブにより層の一部を取り出して活性媒質片を形成する第３工程と、ナノプローブが取り出した活性媒質片をナノスロットの形状に合わせて加工してより小さい活性媒質小片とする第４工程と、ナノプローブにより取り出して加工した活性媒質小片をナノスロットに配置する第５工程とを備える。
【００１３】
上記光デバイスの製造方法において、活性媒質による層は、スロットより小さい活性媒質の粒子が分散されている。
【００１４】
上記光デバイスの製造方法において、第４工程では、イオンビームの照射により活性媒質片をナノスロットの形状に合わせて加工して活性媒質小片とする。
【００１５】
上記光デバイスの製造方法において、光デバイス基本構造は、フォトニック結晶共振器であり、ナノスロットは、共振器中心に配置されている。
【００１６】
上記光デバイスの製造方法において、光デバイス基本構造は、２つの金属パターンから構成されたプラズモン導波路であり、ナノスロットは、２つの金属パターンの間に配置されている。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、ナノプローブにより活性媒質による層の一部を取り出して活性媒質片を形成し、この活性媒質片をナノスロットの形状に合わせて加工してより小さい活性媒質小片とするので、ナノプローブにより、所望とする活性媒質をナノスロットに選択的に配置できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態２における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態２における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態２における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態２における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態２における光デバイスの製造方法を説明するための途中工程の状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態おける光デバイスの製造方法について説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における光デバイスの製造方法について、図１Ａ〜図１Ｆを参照して説明する。
【００２１】
まず、図１Ａに示すように、フォトニック結晶１０１を作製する。フォトニック結晶１０１は、基部１０２および基部１０２に形成された柱状の複数の格子要素１０３を備える。格子要素１０３は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に基部１０２に設けられている。また、格子要素１０３は、屈折率が基部１０２とは異なる。複数の格子要素１０３は、例えば平面視で三角格子状に配列している。格子要素１０３は、例えば、基部１０２を表面側から裏面側に貫通する円筒形状の貫通孔であり、空気から構成されている。
【００２２】
また、フォトニック結晶１０１は、共振器とする領域の中心部（共振器中心）に、ナノスロット１０４を備える。実施の形態１において、フォトニック結晶１０１は、フォトニック結晶共振器とする光デバイス基本構造である。また、ナノスロット１０４は、直方体状の孔部である。
【００２３】
フォトニック結晶１０１は、例えば、基部１０２がシリコンから構成され、基部１０２の板厚は、２１０ｎｍ程度である。基部１０２を貫通している格子要素１０３の高さは、２１０ｎｍ程度となる。また、例えば、格子定数ａが４６０ｎｍ程度、格子要素１０３の直径は、ａ／４程度である。また、ナノスロット１０４の図１Ａの紙面左右方向に配置されている格子要素１０３ａは、ナノスロット１０４より離れる方向に、０．１２ａ程度シフトしている。また、格子要素１０３ｂも、ナノスロット１０４より離れる方向にシフトし、このシフト量は、格子要素１０３ａのシフト量の０．５０倍程度とされている。
【００２４】
また、ナノスロット１０４の図１Ａの紙面左右方向の長さは、４００ｎｍ程度とし、ナノスロット１０４の幅は、３０〜７０ｎｍ程度とすればよい。
【００２５】
上述した設定により、ナノスロット１０４内の単一アンチノードに電界が集中し、Ｑ値が数万以上でモード体積が１（λ／２ｎ）3を大きく下回るナノ共振器モードが実現できる。例えば、数万以上の理論Ｑ値が得られる。特に、ナノスロット１０４の幅を４０ｎｍ程度とすることで、最も高いＱ値が得られる。
【００２６】
なお、非特許文献５に説明されているように、基部１０２をＳｉとしたまま、格子要素１０３の屈折率をｎ＝１．５程度まで高めても共振器の基本性能は維持される。ナノスロット１０４のみではなく、格子要素１０３を含む全ての低屈折率部分の屈折率を変調した場合には、Ｑ値やモード体積の性能が維持されるが、ナノスロット１０４のみに活性媒質を充填し、他の格子要素１０３は空気のままとした場合、低屈折率媒質が全て空気である場合とほぼ同等の高性能が維持される。
【００２７】
次に、図１Ｂに示すように、母材となる層１０５に活性媒質の粒子１０６を分散させることで、図１Ｃに示すように、活性媒質の層１０７を作製する（第２工程）。粒子１０６は、ナノスロット１０４より小さい、ナノ発光材料として有用なＺｎＳ，ＺｎＳｅなどの量子ドット、また窒素不純物（ＮＶセンター）やＳｉ不純物（ＳｉＶセンター）などの発光中心を含むダイヤモンドナノ粒子である。これらの微粒子は、ナノプローブによる直接操作や単体でのナノスロット１０４内への配置が困難であるが、ＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）などのポリマーをホスト媒体とした層１０５に、ゲスト媒体として分散ないしドーピングして層１０７とすることで、活性媒体として利用可能になる。量子ドットや発光中心の数や密度は、分散ないしドーピングの調整により制御できる。ホスト媒体となる層１０５は、フィルム化が容易で、かつゲスト媒体の性能を損なわないものを選択すればよい。
【００２８】
なお、レーザー発振を実現する利得を有するＤＣＭ／ＡｌＱ3のような蛍光色素や、優れた光吸収特性を有するペロブスカイト材料などは、薄膜として形成することが可能であり、この薄膜を層１０７として用いることが可能である。いずれにおいても、層１０７の厚さは、ナノスロット１０４内への配置が容易になるよう、ナノスロット１０４の高さと同じかより薄いことが望ましい。
【００２９】
次に、図１Ｄに示すように、ナノプローブ１０８により層１０７の一部を取り出し（切り出し）て、活性媒質片１０９を作製する（第３工程）。ナノプローブ１０８による取り出しにおいては、必要かつナノプローブ１０８で操作可能な量の活性媒質を層１０７より取り出し、活性媒質片１０９とする。後で整形するため、この時点で、活性媒質片１０９の形状を細かく制御する必要は無く、活性媒質片１０９の寸法が、要求よりも下回らなければ良い。なお、ナノプローブ１０８のみで必要な形状や量の活性媒質片１０９が取り出せない場合、よくしられたリソグラフィ技術やイオンビームによるパターニング技術により、予め大まかな必要な寸法に層１０７を成形しておけばよい。
【００３０】
次に、ナノプローブ１０８が取り出した活性媒質片１０９を、ナノスロット１０４の形状に合わせて加工し、図１Ｅに示すように、より小さく加工した活性媒質小片１１１とする（第４工程）。例えば、イオンビーム１１０の照射により、ナノスロット１０４の内部に配置するために適した３次元形状に形成（加工）した活性媒質小片１１１とする。ここで、活性媒質小片１１１への加工は、ナノプローブ１０８で保持した状態で実施する。
【００３１】
イオンビーム１１０による加工は、例えば、現在普及している真空中での集束イオンビーム（ＦＩＢ）法の利用が考えられる。イオンビーム１１０が当たる部分は、エッチング除去されるため、整形後の活性媒質小片１１１におけるイオンビームによる加工損傷は最小限となる。非特許文献４に報告されているように、イオンビーム加工とナノプローブによる加工やマニピュレーションは、同一装置内に機能集積し連続的に実行可能である。
【００３２】
次に、図１Ｆに示すように、ナノプローブ１０８により取り出されて加工された活性媒質小片１１１をナノスロット１０４の内部に配置する（第５工程）。一般に、ナノプローブ１０８の先端の形状は、幅１００ｎｍ以下のナノスロット１０４に対し大きく十分細いと言えないが、実施の形態１によれば、活性媒質小片１１１の形状が予めナノスロット１０４に合わせて３次元加工されているため、ナノスロット１０４内への配置が実施しやすくなる。
【００３３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における光デバイスの製造方法について、図２Ａ〜図２Ｅを参照して説明する。
【００３４】
まず、図２Ａに示すように、基板２０１の上に、２つの金属パターン２０２ａ，２０２ｂから構成されたプラズモン導波路（光デバイス基本構造）を形成する（第１工程）。金属パターン２０２ａと金属パターン２０２ｂとの隙間２０２ｃを、２０ｎｍから１００ｎｍ程度とすることで、隙間２０２ｃにおける金属パターン２０２ａ，２０２ｂの表面プラズモンと光との相互作用による表面プラズモンポラリトンが励起し、プラズモンモードが実現される（非特許文献２参照）。
【００３５】
プラズモンモードの閉じ込めおよび電界強度は  金属パターン２０２ａ，２０２ｂの厚さを２０ｎｍ程度にすることで最大化される（非特許文献２参照）。なお、金属パターン２０２ａ，２０２ｂの厚さは、用途に応じて２００ｎｍ程度とすることが可能である。このように、プラズモンモードが実現される金属パターン２０２ａと金属パターン２０２ｂとの間の隙間２０２ｃに、ナノスロットが配置される。言い換えると、実施の形態２におけるプラズモン導波路では、ナノスロットは、隙間２０２ｃである。想定されるナノスロット（隙間２０２ｃ）の断面視の形状は矩形であり、寸法は、２０×２０（ｎｍ）から２００×２００（ｎｍ）である。
【００３６】
次に、図２Ｂに示すように、活性媒質の層２０３を形成する（第２工程）。実施の形態２において、活性媒質は、例えば、２次元的な単位層が、１層または複数層積層した層状物質から構成する。層状物質は、例えば、グラフェン、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、ＷＳ2，ＭｏＳ2などの遷移金属ダイカルコゲナイドである。これらの層状物質は、非常に有用な光学物性を示すことが近年示されている。このような層状物質から構成される層２０３の厚さは１０ｎｍ以下である。また、複数の層状物質によるヘテロ構造としてもよく、この場合、層２０３の厚さは数十ｎｍ程度となる。
【００３７】
次に、図２Ｃに示すように、ナノプローブ２０４により層２０３の一部を取り出し（切り出し）て、活性媒質片２０５を作製する（第３工程）。ナノプローブ２０４による取り出しにおいては、必要かつナノプローブ２０４で操作可能な量の活性媒質を層２０３より取り出し、活性媒質片２０５とする。後で整形するため、この時点で、活性媒質片２０５の形状を細かく制御する必要は無く、活性媒質片２０５の寸法が、要求よりも下回らなければ良い。なお、ナノプローブ２０４のみで必要な形状や量の活性媒質片２０５が取り出せない場合、よくしられたリソグラフィ技術やイオンビームによるパターニング技術により、予め大まかな必要な寸法に層２０３を成形しておけばよい。
【００３８】
次に、ナノプローブ２０４が取り出した活性媒質片２０５を、隙間２０２ｃの形状に合わせて加工し、図２Ｄに示すように、より小さく加工した活性媒質小片２０６とする（第４工程）。例えば、イオンビーム２１０の照射により、隙間２０２ｃの内部に配置するために適した３次元形状に形成（加工）した活性媒質小片２０６とする。ここで、活性媒質小片２０６への加工は、ナノプローブ２０４で保持した状態で実施する。
【００３９】
イオンビーム２１０による加工は、例えば、真空中でのＦＩＢ法の利用が考えられる。イオンビーム２１０が当たる部分は、エッチング除去されるため、整形後の活性媒質小片２０６におけるイオンビームによる加工損傷は最小限となる。
【００４０】
次に、図２Ｅに示すように、ナノプローブ２０４により取り出されて加工された活性媒質小片２０６を、隙間２０２ｃの内部に配置する（第５工程）。一般に、ナノプローブ２０４の先端の形状は、幅１００ｎｍ以下の隙間２０２ｃに対し大きく十分細いと言えないが、実施の形態２によれば、活性媒質小片２０６の形状が予め隙間２０２ｃに合わせて３次元加工されているため、隙間２０２ｃ内への配置が実施しやすくなる。
【００４１】
以上に説明したように、本発明によれば、ナノプローブにより活性媒質による層の一部を取り出して活性媒質片を形成し、この活性媒質片をナノスロットの形状に合わせて加工してより小さい活性媒質小片とするので、ナノプローブにより、所望とする活性媒質をナノスロットに選択的に配置できるようになる。
【００４２】
ナノスロットは、幅が２００ｎｍを下回るため、ナノスロット内のみに選択的に活性媒質を配置することは従来容易でなかった。特に、ナノプローブを用いてナノスロット内に活性媒質を確実に配置できる具体的技術の提示は従来無かった。従来は、スロットサイズに合わせた形状を有するナノワイヤなどを自己形成する必要があった。本発明により、ナノワイヤに限らず、ナノスロットの光物質相互作用増強効果を活用した様々な活性材料を利用したスロットデバイスの実現が容易にかつ現実的になる。
【００４３】
本発明において、スロット内に配置される活性媒質小片は、必ずしもスロット全体を充填せず、すき間が生じていても構わない。また、１回のナノプローブ操作で、活性媒質小片の埋め込み完了するのではなく、埋め込みが複数回の操作反復により実現され、また、異なる活性媒質の小片が、複数回の埋め込み操作でスロット内に集積されても構わない。
【００４４】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１…フォトニック結晶、１０２…基部、１０３…格子要素、１０４…ナノスロット、１０５…層、１０６…粒子、１０７…層、１０８…ナノプローブ、１０９…活性媒質片、１１０…イオンビーム、１１１…活性媒質小片。
【図１Ａ】
2020004753.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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