(57)【要約】【課題】表面プラズモン共鳴を用いるデバイスでは、製造過程、仕様環境変化、時間経過によって、設計値で意図した材料の光学定数や形状からずれることによって、プラズモン共鳴条件が成立しなくなることが頻繁に起こる。プラズモンの振る舞いが共鳴条件からずれると、プラズモン強度や伝播距離などが著しく低下し、作製したデバイスによって所望の性能を得ることができない。【解決手段】表面プラズモンが励起される金属に接している誘電体の光学定数を、外部からの刺激によって補正する。誘電体としてエレクトロクロミック材料を用いると、外部から印加する電圧によって光学定数を制御が可能で、これまでの難点を克服することが出来る。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、
基板と、
前記基板上部に搭載された、金属層に直接的又は間接的に接し且つ外部からの信号によって光学特性が変化する材料層と、
前記光学特性の制御をなす為の部材と、を有することを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層は、エレクトロクロミック材料層であり、
前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の部材が、前記エレクトロクロミック材料層に電圧を印加するための電極であることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項３】
請求項２において、
前記金属層とエレクトロクロミック材料層との間に、前記金属層とエレクトロクロミック材料層との間に近接場を介しての相互作用が存在する薄膜を有することを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項４】
請求項２において、
前記金属膜が、導電性薄膜を介して、前記エレクトロクロミック材料層が形成されていることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項５】
請求項１において、
前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層上に、誘電体層を有することを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項６】
請求項２において、
前記エレクトロクロミック材料層上に、誘電体層を有することを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項７】
請求項６において、
前記誘電体層が、エレクトロクロミック材料層であることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項８】
請求項２において、
前記エレクトロクロミック材料層と前記金属層とが、基板に積層されたことを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項９】
請求項８において、
前記基板が、透光性であることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１０】
請求項８において、
前記透光性の基板に、導電性薄膜と、前記エレクトロクロミック材料層と、金属層とが順次
積層されていることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１１】
請求項１において、
前記金属層は、複数の線状金属層で構成されることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１２】
請求項２において、
前記金属層は、複数の線状金属層で構成されることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記複数の線状金属層の、各々の長手方向の側面が前記エレクトロクロミック材料層によって挟まれていることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記複数の線状金属層及び前記エレクトロクロミック材料層上に、誘電体層が存在することを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記誘電体層が、エレクトロクロミック材料層であることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項１６】
外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、基板と、前記基板上部に搭載された、金属層と、前記金属層に直接的又は間接的に接して形成され且つ外部からの信号によって光学特性が変化する材料層と、前記光学特性の制御をなす為の電極とを有する表面プラズモン素子と、
前記表面プラズモンをモニタするモニタ素子と、
前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層の光学特性の制御をなす為の電極に電圧を印加する可変電圧器と、を有することを特徴とする表面プラズモン応用デバイス。
【請求項１７】
外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、透光性基板と、前記透光性基板上部に搭載された、金属層と、前記金属層に直接的又は間接的に接して形成されたエレクトロクロミック材料層と、前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極とを有する表面プラズモン素子と、
前記表面プラズモンをモニタするモニタ素子と、
前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極に電圧を印加する可変電圧器と、を有し、且つ、
前記表面プラズモン素子に前記透光性基板側より光が入射され、且つ
前記表面プラズモン素子はガス雰囲気内に設置されており、ガスセンサなることを特徴とする表面プラズモン応用デバイス。
【請求項１８】
外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、透光性基板と、前記透光性基板上に、透明電極とエレクトロクロミック材料層と、前記エレクトロクロミック材料層中に形成された三角形状の金属層領域と、前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極とを有する表面プラズモン素子と、
前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極に電圧を印加する可変電圧器と、を有し、
前記表面プラズモン素子への入射光によって、前記三角形状の金属層領域の頂点より近接場光を発生し得るプラズモンプローブなることを特徴とする表面プラズモン応用デバイス。
【請求項１９】
基板と、前記基板上に、複数の信号用配線と、前記複数の信号用配線の上部に、これらに交差する方向に延在する複数の制御用配線と、前記信号用配線と前記制御用配線との交差する位置に配置された光トランジスタの複数個とが、エレクトロクロミック材料層に埋め込まれて形成され、
前記エレクトロクロミック材料層には、独立して電圧印加が可能な複数の電極が配置され、
前記信号用配線の一方向からの光入射路と、その反対方向への、前記光トランジスタの出力を出力するための光出射路とを有し、
前記光入射路よりの光の入射により、信号用配線に励起された表面プラズモンによって、前記光トランジスタに信号が入力され、前記光トランジスタの出力が、前記光トランジスタに対して前記光入射路とは反対方向に延在する信号用配線より前記光出射路に出力される光論理回路なることを特徴とする表面プラズモン応用デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補正機能を有する表面プラズモン素子及びこれを用いた表面プラズモン応用デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、金属に光や電子線を入射することによって励起されるプラズモンを応用したデバイス（プラズモニックデバイス）が注目され、その研究開発が進んでいる。
【０００３】
金属に光や電子線を入射すると、金属内の自由電子がエネルギーを得て運動する。自由電子は比較的自由に金属内を運動しているが、金属内の自由電子は完全に自由ではなく、電子−格子相互作用や電子−電子相互作用によって、統計的にある一定の力を受けている。
【０００４】
一般に、ある一定の力を受けている物体は、固有振動数を持つ。例えば、光を入射した場合、光の振動電場によって電子は振動するが、電子の振動エネルギーは、光の周波数、即ち波長と電子の固有振動数が一致する場合に大きくなる。これをプラズモン共鳴と呼ぶ。プラズモン共鳴波長は金属材料によって異なる。
【０００５】
このプラズモンの振る舞いは、金属内部と金属表面で異なる。何故ならば、表面の電子は内部の電子と異なる力を受けるからである。この表面に励起されるプラズモンを表面プラズモンと呼ぶ。例えば、金属表面が誘電体と接している場合、表面プラズモンの振る舞いは、入射光の条件（波長、入射角など）、金属・誘電体の誘電率から電磁場の連続性を考慮したMaxwell方程式を解くことによって理論的に導かれる。理論的に、表面プラズモンは縦波であることが示され、よって表面プラズモンは光を放射することなく、金属表面に局在した電磁場である近接場光を伴って金属表面を伝播する。この伝播する波の波数、振動数、伝播距離、近接場光の強度などは、上記の入射光の条件、金属・誘電体の誘電率、金属膜の厚さなどに強く依存する。これらのことは、例えば、“Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings”、４〜１３ページ、H. Raether著、Springer-Verlag社（非特許文献１）、”Plasmonics: Fundamentals and Applications”、 ２１〜３４ページ、S. A. Maier著、Springer社（非特許文献２）に詳しく説明されている。
【０００６】
この表面プラズモンを用いた様々なデバイスが提案されている。ここでは代表的な例として、濃度センサ、高密度磁気記録、光論理回路について述べる。
【０００７】
濃度センサとしては、微量の吸着物を高感度に検出できるセンサとして表面プラズモンを用いる。一般に、表面プラズモンは、ガラスなどの基板上に金属薄膜を製膜した試料に、基板側から斜めに光を入射することによって励起することができる。この時、入射光のうち、表面プラズモンを励起するために使われる成分は、金属表面に平行な成分である。即ち、入射光の波数ベクトルをｋ０、このベクトルのうち、金属表面に平行な成分をｋ１、垂直な成分をｋ２、入射角をθと書くとすると、
【０００８】
【数１】
2010066401.tif 000003
【０００９】
【数２】
2010066401.tif 000004
と書けるため、表面プラズモンを励起する波数は入射角に依存する。ここで例えば、入射角を変えながら反射光の強度を測定すると、ある角度で表面プラズモン共鳴が起こり、そのプラズモンが金属表面を伝播するため、その角度での反射光強度は低減する。濃度センサにはこの現象を利用する。
【００１０】
今、光の入射角を表面プラズモン共鳴が起こる角度にし、反射光の強度を測定する。この状態でセンサ表面に何らかの分子が吸着すると、センサの金属表面の屈折率が変化するため、表面プラズモン共鳴の条件からずれるため、反射光強度の変化が観測される。このずれは、分子の吸着量に依存するため、分子の濃度とプラズモン共鳴のずれを、予め測定しておけば、反射光強度から分子濃度を決定ことができる。原理的にこうした方法でＡｒやＮ２の気体の濃度を測定した例が、例えば、Applied Physics Letters第８５巻３０１７〜３０１９ページ（２００４）に報告されている（非特許文献３）。この報告では、表面プラズモン共鳴のＱ値が極めて高いことを利用し、２×１０−７の屈折率変化を検出することに成功している。
【００１１】
次に、高密度磁気記録に応用する例に言及する。ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）では記録データの高密度化が進められているが、それに伴って媒体に記録したマーク（磁区）の熱安定性が課題となる。この熱安定性の課題に対応する為、磁気記録膜の異方性エネルギーＫｕの向上とオーバーライト機能を両立する熱アシスト磁気記録が提案されている。
【００１２】
熱アシスト磁気記録では、媒体の加熱に光を利用し、更に、光の回折限界を超えて加熱サイズを小さくする為、プラズモンを利用して解決する方法が提案されている。例えば、Journal of Applied Physics第９５巻３９０１〜３９０６ページ(２００４)に提案されている方法では、三角形に近い形をした金属プローブを用いる（非特許文献４）。このプローブに、三角形の頂点から底辺に引いた垂線に平行な方向の電場を有する偏光を入射すると、金属内の自由電子は振動するが、頂点付近での自由電子密度が大きくなるために、頂点付近において非常に局在した強い近接場光が発生する。この近接場光を媒体が吸収することにより、非常に局所的な領域に熱を発生させることができる。この熱を熱アシスト磁気記録における媒体の加熱に用いるのである。
【００１３】
次に、光論理回路の適用例に言及する。現在、光通信では、信号を伝送する部分では光ファイバ内に光を閉じ込めるが、信号を生成する箇所と信号を受信してその信号を処理する部分は電子デバイスを用いる。このために、電気−光変換器と光−電気変換器が必要になる。このことは、幾つかの欠点を有する。その一つは、データ転送レートの向上が限定されることである。光は電気に比べて１００〜１０００倍の速度で伝播するので、光を電気に変換することなく信号を処理することができれば、データ転送レートが向上する。この目的のために、光トランジスタの開発が進んでおり、その一例が、Optics Letters第２８巻２５０６〜２５０８ページ（２００３）に報告されている（非特許文献５）。
【００１４】
更には、光論理回路の為、光導波路の集積化限界を打破する為、表面プラズモンを用いることが提案されている。光配線を金属によって作製し、その配線の表面にプラズモンを伝播させることによって光信号を伝送する。このコンセプトが、例えばScience第３１１巻１８９〜１９３ページ（２００６）に説明されている（非特許文献６）。この場合、表面プラズモンを、できるだけ少ない損失で長距離を伝播させる必要があるが、例えばJournal of Applied Physics第９８巻４３１０９ページ（２００５）では、条件を最適化することによって、１０ｍｍ以上の距離を伝播させることに成功したことが報告されている（非特許文献７）。しかし、一般に表面プラズモン共鳴を利用するデバイスの作製は難しく、その対応策が、例えば、特開２００６-２０８３７５号公報に報告されている（特許文献１）。ここでは、表面プラズモンを励起する金属薄膜に接する誘電体を多孔質材料とし、その多孔のサイズと密度を調節することによって誘電体の屈折率を制御している。
【００１５】
【特許文献１】特開２００６-２０８３７５号公報
【非特許文献１】“Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings”、４〜１３ページ、H. Raether著、Springer-Verlag社
【非特許文献２】”Plasmonics: Fundamentals and Applications”、 ２１〜３４ページ、S. A. Maier著、Springer社
【非特許文献３】Applied Physics Letters第８５巻３０１７〜３０１９ページ（２００４）
【非特許文献４】Journal of Applied Physics第９５巻３９０１〜３９０６ページ(２００４)
【非特許文献５】Optics Letters第２８巻２５０６〜２５０８ページ（２００３）
【非特許文献６】Science第３１１巻１８９〜１９３ページ（２００６）
【非特許文献７】Journal of Applied Physics第９８巻４３１０９ページ（２００５）
【非特許文献８】Thin Solid Films第２５１巻８１〜９３ページ（１９９４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のように、プラズモンを用いた各種デバイスの多くは、その強度や信号を大きくするために共鳴を用いる。しかしこのことは、デバイス加工に対して高い精度を要求する。何故ならば、一般的に共鳴現象では、共鳴条件のパラメータセットの狭い領域において強いアウトプットが得られることが多く、よって現実のパラメータセットが設計上のパラメータセットからずれた場合、アウトプットが急激に弱まる傾向にある。このことは、逆に、原理的な側面から、上述の濃度センサにおいて、金属表面に接している気体の僅かな屈折率変化を検出できたことからも理解できる。
【００１７】
プラズモン共鳴を利用するデバイスでは、加工ずれ、不均一性、デバイス性能の経時変化、及び外部環境に対する裕度が非常に小さい。このことは、デバイス生産における歩留まりやデバイスの信頼性を低下させ、実用上大きな課題となる。
【００１８】
後述するように、表面プラズモンの振る舞いは、金属・誘電体の誘電率、及び金属の膜厚に依存する。金属が何らかの形状を有する場合、その形状にも依存する。
【００１９】
デバイスの加工には必ず設計からのずれが伴う。加工のずれは、上記の共鳴条件のパラメータセットからのずれの原因となる。この場合、何らかの方法で共鳴条件を補正する必要がある。例えば、前記非特許文献３にあるような濃度センサの場合は、各々のガス種に対する共鳴を示す角度がずれる。角度のずれを何らかの方法で検知しておけば、その値から全データの角度ずれを補正することができる。また、デバイスの加工ずれを、光源波長を調整することによって補正することも可能である。
【００２０】
しかし、高速に濃度を測定する必要があったり、或いは光学系を固定した装置などに適用する場合、上記のような補正は困難である。また、ＨＤＤや光チップなどへ応用する場合には、プラズモンデバイスや光源波長・光の入射角などは固定されているため、共鳴条件を変更することは困難である。
【００２１】
更に、加工ずれはデバイス内の場所依存性を持つ場合がある。例えばデバイス加工プロセスとして反応性イオンエッチングなどのいわゆるドライエッチング法を用いた場合、プラズマ条件やエッチングガス濃度などが装置内の場所依存性を持つ場合があり、このことがデバイス内の加工精度の不均一性を生じることがある。この場合は、上記の濃度センサのように、光の入射角を調整することでずれを補正することはできない。
【００２２】
更に、デバイスの特性が経時変化を示す場合がある。例えば、濃度センサは使用しているうちに表面が吸着物などで汚れるが、このことが共鳴条件を大きく変化させる。また、例えば金属と誘電体の界面が時間の経過によって混合されるなど、デバイスの化学的変化に伴うデバイス特性の変化も起こる。
【００２３】
更に、材料の光学的特性は温度や電場、磁場など、外部環境によって変化する。特に温度による変化は、金属において顕著に起こる。このことは、金属の電気伝導度が温度に強く依存することと同じである。
【００２４】
上記のように、一般に表面プラズモン共鳴を利用するデバイスの作製は難しく、その対策が例えば、特開２００６-２０８３７５号公報に開示されている（特許文献１）。ここでは、表面プラズモンを励起する金属薄膜に接する誘電体を多孔質材料とし、その多孔のサイズと密度を調節することによって誘電体の屈折率を制御することを目的としている。この方法は、例えばデバイスの製造過程で金属薄膜や誘電体の屈折率が設計値からずれた場合に、そのずれを検査過程で同定することができれば非常に有効に働く。しかし、一般に検査過程で同定された共鳴点のずれから、所望の誘電体の屈折率を算出するのは難しい。何故ならば、上記のように、実際に作製されたデバイスの共鳴点からのずれの原因は複数存在するからである。また、この方法では、そのずれを検知する検査から原因を追究するまでに作製されたデバイスは使用することができず、また、作製した後に起こる形状や材質の変化による共鳴点からのずれを補正することができない。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本願発明は、上記の諸課題を、デバイス自体に、表面プラズモンの特性に対する調整機能を追加することによって解決する。
【００２６】
その基本的構成は次の通りである。
（１）外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、
基板と、
前記基板上部に搭載された、金属層に直接的又は間接的に接し且つ外部からの信号によって光学特性が変化する材料層と、
前記光学特性の制御をなす為の部材と、を有することを特徴とする表面プラズモン素子である。
【００２７】
前記金属層に直接的又は間接的に接した前記材料層の光学特性を、前記光学特性の制御をなす為の部材を介して制御し、もって前記金属層表面に励起される表面プラズモンを制御するのである。
（２）前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層の代表的な例は、エレクトロクロミック材料層である。このエレクトロクロミック材料層の光学特性（即ち、光学定数）を、前記エレクトロクロミック材料層に電圧を印加するための電極を介して制御するのである。
【００２８】
表面プラズモン応用デバイスの基本構成は次の通りである。
即ち、外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、基板と、前記基板上部に搭載された、金属層と、前記金属層に直接的又は間接的に接して形成され且つ外部からの信号によって光学特性が変化する材料層と、前記光学特性の制御をなす為の電極とを有する表面プラズモン素子と、
前記表面プラズモンをモニタするモニタ素子と、
前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層の光学特性の制御をなす為の電極に電圧を印加する可変電圧器と、を有することが必要である。
【００２９】
本願発明に係る更なる諸形態については、後述される。
【発明の効果】
【００３０】
本願発明によれば、表面プラズモンを利用する表面プラズモン素子、並びにこれを用いた表面プラズモン応用デバイスにおける、測定並びにデバイス動作の安定化をもたらすことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
より具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明に係る、基本的な表面プラズモン素子及び表面プラズモン応用デバイスの原理的側面並びに基本的な実施の諸形態を例示する。
【００３２】
表面プラズモンの、金属表面の状態や加工ずれなどの特性への影響を具体的に議論するために、表面プラズモンに関して、次のようなモデル計算を行った。ここでは、物体はバルクの金属と、その金属表面に接している誘電体のみからなる簡単な系を考える。この金属表面に表面プラズモンが励起し、そのプラズモンの伝播距離と、プラズモンによって金属表面から誘電体に染み出す近接場の到達距離を、上記非特許文献１にある方法で計算する。ここで伝播距離とは、プラズモン強度が、励起した場所の強度のｅ−１になる距離であると定義する。近接場の到達距離も、近接場の強度が、金属表面での近接場強度のｅ−１になる距離と定義する。
【００３３】
金属をＡｇとし、誘電体の屈折率を変えた場合のプラズモン伝播距離と近接場到達距離を、光源波長を関数として計算した結果を図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは、誘電体とＡｇの界面に励起された表面プラズモンの伝播距離の計算結果の例を示す図、図２ＢはＡｇ表面に発生する近接場の到達距離の例を示す図である。各々、誘電体の屈折率ｎと光源波長をパラメータとした。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、縦軸は各々表面プラズモンの伝播距離と近接場の到達距離、横軸は各々波長である。用いた誘電体の屈折率ｎは各図に表示される。これらの図からわかるように、これらのパラメータは屈折率ｎに強く依存することがわかる。
【００３４】
図２Ａおよび図２Ｂの場合は、金属がバルクの場合であるが、金属が薄膜であった場合には、その膜厚にも依存する。何故ならば、この場合には金属表面が２つ存在するが、その両面で励起されたプラズモンが、それぞれが作り出した近接場を介して相互作用するからである。この現象自体の骨子が非特許文献２に記述されている。伝播光では、波数ｋと周波数ωが、ω＝ｃｋ（ｃ：光速）という関係を有するが、表面プラズモンでは異なる関係を示す。
【００３５】
ここで、厚さ２ａの２次元金属薄膜（誘電率：ε１）が誘電率ε２の誘電体に挟まれている時、表面プラズモンのωとｋとの関係は、ｋが大きい場合には
【００３６】
【数３】
2010066401.tif 000005
に近づく。ここでωｐはバルクプラズモンの周波数である。この式から理解されるように、表面プラズモンの振る舞いは、金属及び誘電体の誘電率、及び金属の膜厚に依存する。金属が何らかの形状を有する場合、その形状にも依存する。
【００３７】
（式３）から、例えば金属膜厚２ａのずれは、ε１或いはε２を変化させることによって補正できることがわかる。即ち、例えば金属膜厚に関して、２ａが最適なようにデバイスを設計し、デバイスを加工した結果、膜厚が２ａ’となった場合に対して、ε２をε２’に変化させて補正することを考えた場合、
【００３８】
【数４】
2010066401.tif 000006
の方程式をε２’について解けばよい。（式３）はｋが大きい場合についての式であるが、ｋが小さい場合にもｋとωの関係はａ、ε１、ε２の関数になるので、同様の考え方で補正することができる。
【００３９】
表面プラズモンの特性に対する調整機能としては、熱を利用する方法がある。上記のように、物質の光学特性は温度に依存する。更に、材料は熱膨張するので、パターンサイズもわずかに変化する。このことは、デバイスに温度を制御する機構を設けることによって実現することができる。温度を上昇する場合には、デバイス内に比較的電気抵抗率の高い金属配線を設け、その配線に電流を流すことにより発生するジュール熱で温度を上昇させることができる。冷却させることは、例えばデバイス内にペルチェ素子を設けることによって実現することができる。このような構造は、例えばデバイスの基板内に設けることができる。
【００４０】
上記の方法は、デバイスの基板が光を透過する必要がない場合に適用することができる。しかし、光を基板側から入射する構成では、基板が光を透過する必要がある。
【００４１】
この問題を解決するためには、例えばエレクトロクロミック材料などを金属層に接する誘電体として用いることができる。エレクトロクロミック材料は、電圧を印加すると、バンド構造が変化することや、分子内で酸化還元反応が起こることなどにより、その屈折率などの光学特性が変化する材料である。代表的なエレクトロクロミック材料としては、有機材料ではテレフタル酸ジメチル、１、４−ジアセチルベンゼン、４、４’、−ビフェニルジカルボン酸ジエチルエステルなど、無機材料としては酸化タングステン（ＷＯ３）が挙げられる。エレクトロクロミック材料の屈折率の変化量は、印加電圧の大きさで制御することができる。又、エレクトロクロミック材料は、一般的に透明か或いは半透明であり、デバイスが光を透過しなければならない場合にも利用できる。
【００４２】
エレクトロクロミック材料の他に、温度、圧力、光入射によって光学特性を変える材料もある。これらの材料も本発明に適用可能である。これらの材料としては、温度に依存するものはVO2、V2O3、Fe3O4、Ag2S、FeS、NiS、又、圧力に依存するものはEuTe、EuSe、EuS、EuO、SmS、光入射起因のものはAgCl−CuCl、AgBr−CuBr、Ag3VO4、Ag4SiO4、Ag3PO4、MoO3などが挙げられる。これらの材料自体については、Thin Solid Films第２５１巻８１〜９３ページ（１９９４）に詳細が述べられている（非特許文献８）。
【００４３】
本願発明の表面プラズモン素子の基本形態は上述の「課題を解決するための手段」の欄に項目（１）及び（２）として示した通りであるが、以下に、更なる種々の変形、改良諸形態を具体的に説明する。
（ａ）前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層の代表的な例は、エレクトロクロミック材料層である。このエレクトロクロミック材料層の光学特性を、前記エレクトロクロミック材料層に電圧を印加するための電極を介して制御するのである。
（ｂ）要請される特性に応じて、前記金属層と前記エレクトロクロミック材料層との間に、前記金属層とエレクトロクロミック材料層との間に近接場を介しての相互作用が存在する薄膜を挿入してもよい。
（ｃ）表面プラズモン素子の代表的な積層形態は、前記金属膜が、導電性薄膜を介して、前記エレクトロクロミック材料層が形成されるものである。
（ｄ）本願発明に係る表面プラズモン素子において、前記外部からの信号によって光学特性が変化する材料層上に、誘電体層を有せしめても良い。エレクトロクロミック材料層とこの誘電体層の両者でもって、表面プラズモンを制御するのである。
（ｅ）又、前記誘電体層の代表的な例は、エレクトロクロミック材料層である。基板側に用いているエレクトロクロミック材料層と同じエレクトロクロミック材料を用いても良いことは言うまでもない。同じ、材料で特性制御の設定が容易である。
（ｆ）表面プラズモン素子は、通例、前記エレクトロクロミック材料層と前記金属層とが、基板に積層さるが、前記基板に透光性基板が多用される。この基板側から光を入射させる目的に有用である。
（ｇ）前記透光性基板に、導電性薄膜、エレクトロクロミック材料層、及び金属膜が積層され、導電性薄膜及びエレクトロクロミック材料層に電極が配置される形態は、導電性薄膜によってエレクトロクロミック材料層への電界に印加がより容易となる。
（ｈ）前記金属層が、複数の線状金属層で構成される形態も取り得る。
（ｉ）前記金属層が前記複数の線状金属層である場合、線状金属層の各々の長手方向の側面が前記エレクトロクロミック材料層によって挟まれている形態が有用である。金属膜とエレクトロクロミック材料層との接触面を多くすることが出来、エレクトロクロミック材料層の特性制御による表面プラズモンの制御を容易となす。
（ｊ）こうした（ｉ）の形態においても、前述した通り、前記複数の線状金属層及び前記エレクトロクロミック材料層上に、誘電体層を設けて良いことは言うまでもない。又、この誘電体層が、エレクトロクロミック材料層で良いことも言うまでもない。
【００４４】
次に、具体的構造を示して基本構成を説明する。
本願発明の表面プラズモン素子の概念図を図１Ａ及び図１Ｂに示す。今、簡単のために、表面プラズモンを生成する金属層１０３を単純なワイヤとした。基板１０１上に金属層１０３が作製されているが、その金属層１０３にエレクトロクロミック層１０２が接して設けられている。図１Ａは金属層１０３が、表面プラズモン素子の表面に露出している場合、図１Ｂは、金属層１０３の表面にもエレクトロクロミック層が存在する、即ち、金属層１０３が、側面と上面をエレクトロクロミック層に囲まれている場合の例である。
【００４５】
この状態で、エレクトロクロミック層１０２に適切な電圧を印加することにより、プラズモン共鳴条件を変化させることができる。尚、図１Ａ及び図１Ｂで、電圧印加は電気回路で示している。電極の具体的な設け方は後述する。
【００４６】
尚、本例は金属層が線状の例であるが、この金属層は線状ではなく、単一の薄膜でも、十分である。それらの形態は、目的と特性に応じて設定される。こうした例は、後述の具体例において説明される。
【００４７】
尚、ここで、基板としては、石英、アルミナ、プラスッチクなど広い範囲のものを用いることが出来る。又、金属層としては、基板と屈折率差を有するものが用いられる。例えばＡｕ、Ａｇ及びＣｕなどを多用する。また、実用上、近接場を介しての相互作用を及ぼし得る為の金属層、エレクトロクロミック層の厚さは、素子に要求される仕様に応じて、材料、形状に依存して異なるが、概して金属層の厚さ５ｎｍから１μｍの範囲、エレクトロクロミック層は厚さ１０ｎｍから１０μｍの範囲が実用的である。また、上記の第３の薄膜である誘電体層は、近接場が到達する範囲を考慮して５ｎｍから１００ｎｍの範囲が実用的である。
【００４８】
ここで図１Ａでは、金属層とエレクトロクロミック材料が部分的にしか接していないが、それでも全体のプラズモンの振る舞いを変えることができる。何故ならば、金属層とエレクトロクロミック層１０２とが接している面と、接していない面で励起された表面プラズモンは、近接場を介して相互作用をするからである。
【００４９】
このことを利用し、エレクトロクロミック材料と金属層の間に他の物質である第３の薄膜を設け、両者を間接的に接触させる構造も可能である。この第３の薄膜を通してエレクトロクロミック材料に近接場が到達した場合、エレクトロクロミック材料の光学特性が変化することにより、近接場強度が変化するため、近接場とプラズモンの相互作用強度が変化し、プラズモンの特性が変化するからである。この第３の薄膜を設けることにより、例えば、エレクトロクロミック材料と基板や金属層との接着性を向上させることが可能になるなどの利点を得ることができる。
【００５０】
この第３の薄膜としては、光を透過する材料であり、かつ上記プラズモンの伝搬条件を満たす材料は広く用いることが出来る。例えば、SiO2、Al2O3、AlN、TiOなどの酸化物や窒化物の透明材料、NiO、Cr2O3、Fe3O4などの半透明な半導体材料でもよい。又、上記と同じ考えから、この第３の薄膜はエレクトロクロミック材料と外気との界面にあってもよい。この場合も上記と同様、エレクトロクロミック材料と第３の薄膜を合わせた光学特性が、望みのプラズモン条件を実現するように、材料と膜厚を設定すればよい。この第３の薄膜により、エレクトロクロミック膜の保護や、プラズモン条件の設計裕度を確保することができる。この場合の第３の薄膜の材料は、透明材料でもいいし、半透明は半導体膜でもよい。又、エレクトロクロミック膜が十分に厚く、プラズモンが生成する近接場が到達する距離よりも厚ければ、プラズモン条件を考慮することなく、その材料を選択することができる。この場合には、金、銀、アルミニウムなどの光を透過しない金属膜でもよい。この場合の第３の薄膜の膜厚は、典型的には、対象とする光の波長の１／１０以下であることが望ましい。
【００５１】
次に、本願発明の表面プラズモン素子を利用する表面プラズモン応用デバイスの代表的な概念図を図１Ｃに示す。図１Ａ又は図１Ｂのプラズモン素子１０４が可変電圧器（可変電圧電源）１０５に連結されている。尚、プラズモン素子１０４は前述の通りであるので、詳細説明は省略されている。それと同時に、プラズモン状態のモニタ素子１０６が設けられている。このモニタ素子１０６は、例えばプラズモンとその周囲の物質との相互作用によって発生するファーフィールド光の強度或いはその分布を測定する光検出器であってもいいし、或いは、プラズモン素子１０４が入出力信号を有する場合には、その信号強度を検出するものであってもよい。プラズモン状態モニタ素子１０６は、原則的にこれまでの技術をもって十分である。このモニタ素子１０６の信号はコントローラ１０７へ入力される。コントローラ１０７はその入力信号から、プラズモン素子１０４のエレクトロクロミック材料に印加すべき電圧値を可変電圧器１０５へ伝達する。このことにより、プラズモン素子に適切な電圧を印加することができる。
【００５２】
ここで、モニタ素子１０６の信号のみでは、プラズモン素子１０４に印加する電圧値が決定されない場合には、プラズモン素子１０４に複数の電圧を数回に分けて印加し、その傾向から適切な電圧値を決定することもできる。このことは、コントローラ１０７にその機能を付加することによって可能である。また、一度決定した電圧値をコントローラ１０７内に設けた不揮発メモリに格納しておくこともできる。このことにより、次にプラズモン素子を用いる際に、その電圧値をそのまま用いたり、或いは、その電圧値から上記の電圧決定プロセスを開始することもできる。この機能は、プラズモン素子の特性の変化が小さかったり、或いはプラズモン素子を用いる環境が大きく変化しない場合には特に有効である。
【００５３】
図３は、表面プラズモン素子に電圧を印加するための電極の設け方について、具体例を示した斜視図である。図１Ａと同様に、基板３０１上に、複数の金属層３０３が線状に配置され、各金属層３０３の側面に、エレクトロクロミック材料３０２が配置されている。そして、電極３０４が素子の外側の両側のエレクトロクロミック材料３０２に接して設けられている。電極の位置は、表面プラズモン素子を設置する場所に設けられた電極と接するように設計する。
【００５４】
又、図４のように、電極４０４を３個以上設置してもよい。この例は、複数の電極を設ける例である。ここで、各電極に独立に電圧を印加できるようにすることにより、例えば表面プラズモン素子の加工精度の不均一性に応じて、各電極にこれを補正する電圧を印加することができる。尚、図４において、基板４０１、金属層４０３、エレクトロクロミック材料４０２などは、図３と基本的に同様である。
【００５５】
電極に印加する電圧は、表面プラズモン素子を使用する前に試行し、その表面プラズモン素子の性能を確認する際に決定することができる。又、そのようにして印加電圧を決定して、表面プラズモン素子を使用するが、使用中に何らかの観測結果から、印加電圧を調整する機能を追加することも可能である。
【００５６】
ここで用いるエレクトロクロミック材料は、無機材料としては例えばWO３、MoO３、Nb２O５、V２O５、TiO２、NiOOH、CoOOH、Rh２O３、IrO、ZrNCl、InN、SnNなど、有機材料としては、２,４,５,７-テトラニトロ-９-フルオレノン（TetraNF）、２,４,７-トリニトロフルオレニリデンマロノニトリル（TNF-MN）、テトラシアノキノジメタン（TCNQ）、テトラチオフルバレン（TTF）などをあげることが出来る。
【００５７】
このエレクトロクロミック材料に電圧を印加するために、導電薄膜をエレクトロクロミック膜に接着させてもよい。この導電薄膜は、透明性が要請される場合には酸化インジウム−酸化スズ（ＩＴＯ）やＺｎＯなどを用いる。透明性が必要でない場合には、金属や半導体材料を、勿論用いることができる。この導電薄膜は、表面プラズモン素子の金属層面とエレクトロクロミック膜の間でもいいし、又、基板に垂直な方向に、金属層面−エレクトロクロミック膜−導電薄膜という配置の構造でもよい。また、導電薄膜を用いず、金属層に電圧を印加することにより、エレクトロクロミック膜に電圧を伝達させることも可能である。
【００５８】
このように、本願発明によれば、表面プラズモンを利用する表面プラズモン素子において、製造過程、仕様環境変化、時間経過によって起こる設計値からのずれを自律的に補正する機能を設けることにより、製造過程の歩留まりの向上や、使用条件・使用期間に対する裕度を向上することが出来る。従って、表面プラズモン素子の測定の安定化をもたらすことが出来る。更に、こうした表面プラズモン素子を応用した表面プラズモン応用デバイスの動作の安定化をもたらすことが出来る。
【００５９】
次に、表面プラズモン素子の具体的応用例について説明する。具体的応用例として、ガスセンサ、ＨＤＤ用のプラズモンプローブ、及び光論理回路などの応用を例示するが、本願発明の表面プラズモン素子の基本思想は、同種の原理を用いる各種表面プラズモン素子に応用して十分である。
【００６０】
＜ガスセンサへの応用例＞
本発明の具体的な応用例としてガスセンサについて説明する。ガスセンサとしての応用は例えば次の構成を取る。
外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、透光性基板と、前記透光性基板上部に搭載された、金属層と、前記金属層に直接的又は間接的に接して形成されたエレクトロクロミック材料層と、前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極とを有する表面プラズモン素子と、
前記表面プラズモンをモニタするモニタ素子と、
前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極に電圧を印加する可変電圧器と、を有し、且つ、
前記表面プラズモン素子に前記透光性基板側より光が入射され、且つ
前記表面プラズモン素子はガス雰囲気内に設置されている。
【００６１】
本例の表面プラズモン素子の斜視図を図５に示す。１ｃｍ角の石英基板５０１上に、エレクトロクロミック材料層５０２であるＷＯ３と透明電極５０８である酸化インジウム−酸化スズ（ＩＴＯ）が、合わせて１００ｎｍ、更に、その上にＡｕ薄膜５０３が３０ｎｍの膜厚で製膜されている。又、前記エレクトロクロミック材料５０２と透明電極膜５０８の積層体の四隅にＣｕ電極５０４、５０５、５０６、及び５０７が設けられている。尚、この例では、エレクトロクロミック材料層５０２は、線状ではなく、単一の薄膜として形成されている。
【００６２】
この表面プラズモン素子を、図６に示す構造の表面プラズモン素子応用デバイスに取り付けた。表面プラズモン素子応用デバイス例の構成は以下の通りである。
【００６３】
Ａｒレーザ６０１から出射されたレーザ光線６０２がミラー６０３、プリズム６０４を経て、ガスセンサ部６０５に、６０°で入射する。このガスセンサ部６０５が、前述の表面プラズモン素子である。ガスセンサ部６０５の上部はガスチャンバ６０６に覆われ、表面プラズモン素子がガス雰囲気内に設置されている。ガスセンサ部６０５からの反射光は、ミラー６０７を経て光検出器６０８にてその強度が測定される。ガスセンサ部６０５、即ち、表面プラズモン素子の電極は、次のような接続とされた。図５に例示された電極１（５０４）、電極２（５０５）のそれぞれは、可変電源１（６０９）及び可変電源２（６１０）で印加電圧が制御された。又、電極３（５０６）、電極４（５０７）は、共にグラウンドレベル（ground level）とした。今、可変電源１（６０９）及び可変電源２（６１０）への印加電圧、及び光検出器６０８の出力は、コントローラ６１１で制御される。ここで、動作例として、電源６０９、電源６１０に印加する電圧をそれぞれＶ１、Ｖ２とする。
【００６４】
まず、ガスチャンバ６０６を大気にした場合に、Ｖ１、Ｖ２を変化させ、光検出器６０８の出力が最小になる点を求めた。ここで、Ｖ１、Ｖ２の可変範囲は、−１Ｖから１Ｖとし、電圧の変化の刻みを０.０５Ｖとした。ここで、Ｖ１＝０.１５Ｖ、Ｖ２＝−０.０５Ｖの時、光検出器６０８の出力が最小となり、その時の出力は０.０７Ｖであった。一方、Ｖ１＝Ｖ２＝０Ｖの場合、光検出器６０８の出力は０.３Ｖであった。
【００６５】
まず、各電極への印加電圧を、光検出器６０８の出力が最小になる条件（Ｖ１、Ｖ２）＝(０.１５Ｖ、−０.０５Ｖ)としておく。そして、この条件下で、濃度０.０１％のＡｒガスを流入させたところ、光検出器の出力が向上し０.２５Ｖまで上昇し、ガスを検知することができた。一方、各印加電圧をＶ１＝Ｖ２＝０Ｖとした場合には、前述の例と同じガスを流入させても、光検出器の出力は殆ど変化が観測されなかった。このようにして、エレクトロクロミック材料層５０２への印加電圧は、上記のように電圧を小刻みに変えていき、光検出器にて所望の値が得られた電圧に設定する。
【００６６】
上記表面プラズモン素子のエレクトロクロミック材料として、MoO３、Nb２O５、V２O５、TiO２、NiOOH、CoOOH、Rh２O３、IrO、ZrNCl、InN、及びSnNの各々を用いたデバイスも作製した。その他の条件は、基本的に前述の例と同等とした。この結果、最適印加電圧値は材料によって異なったが、上述の例と同等の性能が得られた。
【００６７】
＜高密度ＨＤＤへの応用例＞
次に高密度ＨＤＤへ応用した場合について説明する。
ここで用いるＨＤＤの高密度化の原理自体はこれまでの基本概念である。ここでは、こうしたこれまでの方法に、本願発明の趣旨に沿ってエレクトロクロミック材料を適用したプラズモンプローブについて説明する。
【００６８】
プラズモンプローブの一つの具体的構成例は次の通りである。
即ち、外部から光を入射することによって金属層表面に励起される表面プラズモンを用いた表面プラズモン素子であって、透光性基板と、前記透光性基板上に、透明電極とエレクトロクロミック材料層と、前記エレクトロクロミック材料層中に形成された三角形状の金属層領域と、前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極とを有する表面プラズモン素子と、
前記エレクトロクロミック材料層の光学特性の制御をなす為の電極に電圧を印加する可変電圧器と、を有し、
前記表面プラズモン素子への入射光によって、前記三角形状の金属層領域の頂点より近接場光を発生し得るプラズモンプローブである。
【００６９】
本例のプラズモンプローブの例を図７Ａ及び図７Ｂに示す。図７ＡはＨＤＤの記録媒体側から見た上面図、図７Ｂは、図７ＡのＡ−Ａ断面図である。尚、原理の理解を容易となす為、断面図では直線的断面には存在しない電極を両端に示した。
【００７０】
石英基板７０５上に透明電極（ＩＴＯ層）７０３が形成され、この透明電極（ＩＴＯ層）７０３上にエレクトロクロミック材料であるＷＯ３層７０２が形成されている。そして、ＷＯ３層７０２内にプラズモンを励起するプローブ７０１が埋め込まれている。尚、透明電極７０３にＣｕ電極７０４、７０４’が接して配置されている。光は、図７Ｂに示された断面の下面、即ち、石英基板７０５側から入射され、記録媒体は、この断面構造の上面に接近する。ここで、プラズモンプローブ７０１にはＡｕを用いた。プラズモンプローブ７０１は正三角形の形状であり、一辺の長さが１００ｎｍである。又、このＡｕ層の厚さは３０ｎｍとした。ＩＴＯ７０３の膜厚を１００ｎｍ、ＷＯ３層７０２の厚さを５０ｎｍとした。
【００７１】
このプラズモンプローブをスライダやジンバルに集積化した構成を図８に示す。図８はその断面図である。ジンバル８０１の一方の上面に、プローブに光を入射する光導波路８０２、その反対側にスライダ８０７が設けられている。スライダ８０７には、プラズモンプローブ８０３及びそれに光を入射する導波路８０２の他に、再生ヘッド８０４と記録ヘッド８０５が設けられている。又、再生ヘッド８０４、記録ヘッド８０５、及びプラズモンプローブの透明電極７０３へ電圧や電流を供給するプローブ・ヘッド用配線８０６が、当然設けられている。尚、再生ヘッド、記録ヘッドなどはこれまでの技術で十分である。
【００７２】
こうして準備されたプラズモンプローブをＨＤＤに搭載した例を図９に示す。図９は、装置の上方からみた平面構成を示している。図９でのジンバル９０２は、図８に示したジンバル８０１である。このジンバル９０２の位置を制御するボイスコイルモータ９０３があり、又、半導体レーザ素子９０４と、その半導体レーザ素子９０４から出射したレーザ光を導波路９０６に入射するためのレンズ９０５が設置されている。ボイスコイルモータ９０３、半導体レーザ素子９０４、プローブ・ヘッドに印加する電圧及び電流を、ヘッドコントローラ９０７で制御するようになっている。ここで、半導体レーザ素子として、ＧａＡｌＡｓを用いた波長７８０ｎｍのものを用いた。又、ディスク９０１には、現在市販されている垂直磁気記録媒体を用いた。
【００７３】
このＨＤＤを用いて記録再生実験を行った。まず、検出窓幅（Ｔｗ）５０ｎｍのランダムパターンマークを記録し、そのマークパターン上から異なるパターンのマークをオーバーライトする。そして、そのマークパターンを再生した際のビットエラー率が最小になる条件を求めた。条件のパラメータは、記録磁界、レーザ光パワー、ＩＴＯへの印加電圧である。まず、レーザ光パワーを半導体レーザ素子９０４の出射端で３０ｍＷ、印加電圧を０Ｖとして、最適記録磁界を求めた。その記録磁界の下で、レーザ光パワーを２５ｍＷ〜３５ｍＷの間で１ｍＷ刻みで変化させ、最適パワーを求めた。次に、印加電圧を、２つの電極のうち、一方をグラウンドレベルとし、他方に印加する電圧を−１Ｖ〜１Ｖの間で０.０５Ｖ刻みで変化させ、最適電圧を求めた。この結果、最適電圧は０.３Ｖであり、その時のビットエラー率は１×１０−６以下であった。印加電圧が０Ｖの時のビットエラー率は３×１０−４であり、２桁以上の効果が認められた。こうして求めた記録磁界、レーザ光パワー、及び印加電圧を、ヘッドコントローラ９０７内に設置したフラッシュメモリに記録した。この状態で記録を続けたところ、記録開始から約１時間経過すると、ビットエラー率は２.３×１０−６に上昇した。この理由として考えられる要因は、プローブや光導波路などにおける熱膨張などである。そこで、再び、上記の印加電圧を決定するプロセスを試行したところ、最適電圧は０.３２Ｖとなった。印加電圧を０.３２Ｖとして再び記録を行ったところ、ビットエラー率は１×１０−６以下となった。この印加電圧を、ヘッドコントローラ９０７内に設置したフラッシュメモリに記録した。
【００７４】
このようにしてフラッシュメモリに記録した条件は、次回以降の記録時に用いることができるようにした。即ち、次回の記録開始時には、前回の記録開始時の条件を参照し、条件パラメータの変化幅を小さくした。又、連続記録を１時間続けた場合に、印加電圧を上記の０.３２Ｖにするように設定した。このことにより、より信頼性の高い記録を実現することができた。又、上述の例以外に、前述の各種エレクトロクロミック材料を用いても、本例と同等の結果を得ることができる。
【００７５】
プラズモンプローブとしては、上記した正三角形の形状以外の代表的な例にＣ−ａｐｐｅｒｔｕｒｅの形状がある。このＣ−ａｐｐｅｒｔｕｒｅプラズモンプローブについて実験を行った。Ｃ−ａｐｐｅｒｔｕｒｅは、１μｍ□の金薄膜の中に、Ｃ形状のアパーチャーが形成された形状のプラズモンプローブである。この状態を、図７Ｃ、図７Ｄに例示する。アパーチャ７０７を有する金薄膜７０６以外は、図７Ａ、図７Ｂと同様の構成である。金薄膜の膜厚は３０ｎｍとし、アパーチャのサイズは、図７Ｃにおいて、寸法ａが２００ｎｍ、寸法ｂが１５０ｎｍ、アパーチャの幅は全ての場所で５０ｎｍとした。この素子の作製方法は、図７Ａの素子の作製方法と同様である。これを図７Ａの方法と同様にジンバルに搭載し、上記と同じＨＤＤ媒体を用いてデータを記録した。その結果、電極に印加する電圧を０．５４Ｖ以上０．５９Ｖ以下の範囲で、ビットエラー率が１×１０−６以下となった。
【００７６】
［高密度磁気記録のこれまでの例と本願発明との比較考察］
磁区の熱安定性は、磁気記録膜の異方性エネルギーをＫｕと書くと、ＫｕＶ／ＫＢＴとなる。ここでＶは磁区の体積、ＫＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。この値が大きい方が、熱安定性が大きいことを意味し、逆に小さくなると、室温での熱エネルギーによって磁区の一部や全部において磁化が確率的に反転するため、記録マークの形状が変化し、再生信号のエラーの原因となる。記録密度が向上することは、記録マークが小さくなることであり、即ち、Ｖが小さくなることに等しい。一方、ＨＤＤの実用上、ＫｕＶ／ＫＢＴを７０以上にする必要がある。このＫｕＶ／ＫＢＴの低下を回避するためには、Ｋｕを向上させる必要がある。しかしこのことは新たな課題を生じる。
【００７７】
ＨＤＤでは、既に記録されているデータを消去しながら、新たなデータを記録するオーバーライト機能が必要とされる。一方、ＨＤＤではデジタルデータを記録マークの長さに対応させて記録するため、記録されているマークは、様々な長さを有する。即ち、上記のマーク体積Ｖは、マークに依存する。今、熱安定性向上のためにＫｕを向上させたため、最長マークのＫｕＶは非常に大きくなる。即ち、このようなマークは消去しにくく、オーバーライト時に消え残りが発生し、このことが再生信号のエラーの原因となる。
【００７８】
上記のジレンマを解決するために、熱アシスト磁気記録が提案されている。一般に強磁性体を熱した場合、ある温度以上になると自発磁化を失う。この温度はキュリー温度と呼ばれる。今、記録する領域の温度を記録する時のみ上昇させると、その領域の磁化は記録ヘッドから出力した磁場の方向を向き、その後冷却されると、高い熱安定性を保つことができる。媒体を加熱する方法として光を利用することが考えられる。媒体が光を吸収することによって熱が発生するからである。ここで重要なことは、加熱する領域を記録マークサイズ程度に小さくすることである。大きな領域を加熱すると、例えば隣接トラック上の記録マークを消去する可能性があるからである。しかしながら、光は回折限界により、概ね波長以下のサイズに絞ることができない。これまでの例では、こうした難点を有しているのである。
【００７９】
本願発明では、こうした諸々の難点を回避することができる。本願発明におけるデバイス特性の調整機能により、使用条件や使用期間での特性変化を補正することが出来、動作に対して極めて裕度の高いデバイスを提供することが出来る。
【００８０】
＜光論理回路への適用＞
次に、本発明を光論理回路に適用した場合について説明する。本例は次の構成を取る。
即ち、基板と、前記基板上に、複数の信号用配線と、前記複数の信号用配線の上部に、これらに交差する方向に延在する複数の制御用配線と、前記信号用配線と前記制御用配線との交差する位置に配置された光トランジスタの複数個とが、エレクトロクロミック材料層に埋め込まれて形成され、
前記エレクトロクロミック材料層には、独立して電圧印加が可能な複数の電極が配置され、
前記信号用配線の一方向からの光入射路と、その反対方向への、前記光トランジスタの出力を出力するための光出射路とを有し、
前記光入射路よりの光の入射により、信号用配線に励起された表面プラズモンによって、前記光トランジスタに信号が入力され、前記光トランジスタの出力が、前記光トランジスタに対して前記光入射路とは反対方向に延在する信号用配線より前記光出射路に出力される光論理回路である。
【００８１】
作製した光論理回路チップ例の概要図を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。図１０Ａが光論理回路チップの上面図、図１０Ｂは、その断面図である。回路チップ上には、光トランジスタ１００４が８個配置されている。尚、光トランジスタ自体は、これまでのもの、例えば、前述の非特許文献５などに示されたもので十分である。
【００８２】
回路チップの基本構成は次の通りである。Ｓｉ基板１００８上に透明電極膜１００９、エレクトロクロミック材料層１００２が形成されている。そして、信号系を構成する光トランジスタ１００４、信号用Ａｕ配線１００３及び制御用Ａｕ配線１００５が配置されるが、これらの光トランジスタ１００４、信号用Ａｕ配線１００３及び制御用Ａｕ配線１００５は、エレクトロクロミック材料層１００２であるＷＯ３層と透明電極１００９であるＺｎＯ膜の中に埋め込まれている。製造工程は、先ず、Ｓｉ基板１００８上に透明電極膜１００９としてＺｎＯ膜、信号用Ａｕ配線１００３が形成される。そして、光トランジスタを設ける箇所に開孔を形成する。この開孔内に光トランジスタ１００４を形成する。光トランジスタ自体は通例の方法で形勢してよい。この上部にエレクトロクロミック材料層１００２であるＷＯ３層を形成する。更に、信号用Ａｕ配線の箇所に開孔し、この内部に、信号用Ａｕ配線１００３を配線する。
【００８３】
光通信の信号は、光導波路１００１を通して回路チップに導入される。光トランジスタ１００４に対して、信号用配線１００３と、これに交差する方向に設けられた光演算制御用Ａｕ配線１００５が配置されている。透明電極１００９へ電圧を印加するための電極１００６を１００個（５０個×２）設置し、それぞれの電極に独立に電圧を印加できるようにした。光トランジスタへの制御信号は、表面プラズモンを介して送信される。回路チップへの光の入射によって信号用Ａｕ配線１００３の表面上に励起された、表面プラズモンを介して、信号は光トランジスタ１００４へ導入される。そして、光トランジスタ１００４での演算結果は、上記とは逆向きの信号用Ａｕ配線に出力され、光導波路１００７へ出力される。
【００８４】
信号用及び制御用のＡｕ配線の幅及び厚さを５０ｎｍ、各配線間の距離を１００ｎｍ、ＷＯ３層１００２及びＩＴＯ１００９の膜厚はそれぞれ５０ｎｍ、１００ｎｍとした。
【００８５】
動作の一例を説明する。この光論理回路を使用する前に、予めよくわかっている信号を導波路１００１に入力し、導波路１００７から所望の信号が出力される印加電圧を求めた。ここで、１００個の電極に印加する電圧、即ち１００組の印加電圧を決定するために、遺伝的アルゴリズムを用いた。このために、評価パラメータを１００７に出力される信号と所望の信号とのずれとした。
【００８６】
印加電圧は、初期値を全ての電極にて０Ｖとし、電圧範囲を−１Ｖ〜１Ｖ、変化刻みを０.０５Ｖとした。即ち、パラメータ自由度は、４１１００組である。ここで用いた遺伝的アルゴリズムでは、１世代の個数を５０個で、２０世代の試行を行った。その結果を用いて出力信号をアナログ−デジタル変換器にてデジタル化した結果、ビットエラーは認められなかった。
【００８７】
最適なパラメータの組を探索するために要した時間は、約２分であった。デバイスの使用を開始する際にこのプロセスを行えば問題ないので、２分という時間は十分に許容される範囲である。
【００８８】
また、印加電圧を変更しないまま３日間連続で使用し続けた結果、ビットエラーは検出されなかった。
【００８９】
本例において、エレクトロクロミック材料として、TetraNF、TNF-MN、TCNQ、及びTTFの各々を用いたデバイスも作製した。これらの材料の薄膜は真空蒸着によって作製することができる。デバイスを評価したところ、最適印加電圧値は材料によって異なったが、上述の例と、同等の性能を得ることができた。
【００９０】
［これまでの光論理回路と本願発明との比較考察］
光論理回路を作製する際には、当然、光導波路を集積化する必要があるが、従来の光導波路を用いると、光回路の集積度を向上させることができない。その理由は、通常の伝播光は光の波長以上の幅を持っており、波長以下の領域に閉じ込めることができないからである。即ち、通常の光通信で用いられる光ファイバにおいては、光が閉じ込められる領域であるコアの直径が約１０μｍである。現在の半導体集積回路では配線の幅が１００ｎｍ以下であるので、それよりも１００倍以上大きい。
【００９１】
本願発明では、こうした難点を回避することができる。
【００９２】
以上、本願発明を諸側面から詳細に説明したが、以下に要約することが出来る。
（１）外部から光を入射することによって金属表面に励起される表面プラズモンを用いたデバイスにおいて、
外部からの信号によって光学特性が変化する物質が上記金属に直接的又は間接的に接しており、
該物質の光学特性を外部からの刺激で制御することを特徴とするデバイス。
（２）前項（１）に記載のデバイスにおいて、
該金属に接している材料がエレクトロクロミック材料であり、
該デバイスが、該エレクトロクロミック材料に電圧を印加するための電極を有し、
該電極に印加する電圧で表面プラズモンの状態を制御することを特徴とするデバイス及びデバイスの制御方法。
（３）前項（１）又は前項（２）に記載のデバイスにおいて、
該デバイスの使用前、かつ／或いは使用中の少なくともいずれかで該デバイスに与える信号の種類或いは値として適した条件を探索することを特徴としたデバイス制御方法。
【００９３】
本願発明は、表面プラズモンを利用するデバイスにおいて、製造過程、仕様環境変化、時間経過によって起こる設計値からのずれを自律的に補正する機能を設けることにより、製造過程の歩留まりの向上や、使用条件・使用期間に対する裕度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１Ａ】図１Ａは、本願発明に係る表面プラズモン素子の基本構成例の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本願発明に係る、別な表面プラズモン素子の基本構成例の斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本願発明に係る表面プラズモン応用デバイスの構成例を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、誘電体とＡｇの界面に励起された表面プラズモンの伝播距離の例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、Ａｇ表面に発生する近接場の到達距離の例を示す図である。
【図３】図３は、本願発明に係る表面プラズモン素子の構成例の斜視図である。
【図４】図４は、本願発明に係る表面プラズモン素子の別な構成例の斜視図である。
【図５】図５は、本願発明の第１の実施形態である表面プラズモン素子の構成例の斜視図である。
【図６】図６は、本願発明に係る表面プラズモン素子をガスセンサーに適用した例の構成図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本願発明の第２の実施形態である表面プラズモン素子の構成例の上面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本願発明の第２の実施形態に係る表面プラズモン素子の構成例の断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本願発明の第２の実施形態に係るＣ−ａｐｅｒｔｕｒｅ素子の構成例の上面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本願発明の第２の実施形態に係るＣ−ａｐｅｒｔｕｒｅ素子の構成例の断面図である。
【図８】図６は、本願発明の第２の実施形態に係る表面プラズモン素子をＨＤＤのプローブに適用した例の断面図である。
【図９】図９は、本願発明の第２の実施形態であるディスクドライブの構成例を示す説明図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本願発明の第３の実施形態の光論理回路の構造例を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本願発明の第３の実施形態の光論理回路の構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０１：基板、１０２：エレクトロクロミック材料層、１０３：金属層、１０４：表面プラズモン素子、１０５：可変電圧器、１０６：プラズモン状態モニタ、３０１：基板、３０２：エレクトロクロミック材料層、３０３：金属層、３０４：電極、４０１：基板、４０２：エレクトロクロミック材料、４０３：金属層、４０４：電極、５０１：基板、５０２：ＷＯ３層、５０３：Ａｕ薄膜、５０４：電極１、５０５：電極２、５０６：電極３、５０７：電極４、５０８：ＩＴＯ層、６０１：レーザ、６０２：レーザ光線、６０３：ミラー、６０４：プリズム、６０５：ガスセンサ、６０６：ガスチャンバ、６０７：ミラー、６０８：光検出器、６０９：可変電源１、６１０：可変電源２、６１１：コントローラ、７０１：プローブ、７０２：ＷＯ３層、７０３：透明電極（例えばＩＴＯ）、７０４、７０４’：電極、７０５：基板、７０６：金、７０７：アパーチャ、８０１：ジンバル、８０２：光導波路、８０３：プローブ、８０４：再生ヘッド、８０５：記録ヘッド、８０６：プローブ・ヘッド用配線、８０７：スライダ、９０１：ディスク、９０２：ジンバル、９０３：ボイスコイルモータ、９０４：半導体レーザ素子、９０５：レンズ、９０６：光導波路、９０７：ヘッドコントローラ、１００１：光導波路、１００２：エレクトロクロミック材料、１００３：信号用配線、１００４：光トランジスタ、１００５：制御用配線、１００６：電極、１００７：光導波路、１００８：Ｓｉ基板、１００９：透明電極。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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