(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極線により発光する発光素子であって、
発光ガラスと、当該発光ガラスの表面に形成された金属層のみを含み、
前記金属層は、周期的マイクロ／ナノ構造を有し、
且つ前記発光ガラスの化学成分は、希土類イオンがドーピングされた珪酸塩であることを特徴とする、発光素子。
【請求項２】
前記の周期的マイクロ／ナノ構造が、周期的に配列した突起を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記周期的に配列した周期Ｐが５０ｎｍ〜３０００ｎｍであり、前記突起の幅又は／及び隣の２つの突起の間の間隔が０．０５Ｐ〜０．９５Ｐであり、前記突起の高さが０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、隣の２つの突起の間の底部の金属層厚さが０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記の周期的マイクロ／ナノ構造が、周期的に配列した金属格子又は周期的に配列した孔を有する金属層薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記周期的に配列した周期Ｐが５０ｎｍ〜３０００ｎｍであり、前記の金属層薄膜の厚さが０より大きく１００ｎｍ未満であり、前記孔の直径が０．０５Ｐ〜０．９５Ｐであることを特徴とする、請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光ガラスの表面に周期的に配列した凹部及び凸部をを有し、前記凹部及び／又は凸部の面上に金属膜層が被覆されていることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記周期的に配列した周期Ｐが５０ｎｍ〜３０００ｎｍであり、前記凸部及び／又は凹部の面上の金属膜層の厚さが０ｎｍ〜１００ｎｍであり、前記発光ガラスの表面上の凸部又は／及び凹部の幅が０．０５Ｐ〜０．９５Ｐであることを特徴とする、請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記金属層の金属が、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、プラチナ、パラジウム、マグネシウム、亜鉛から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
表面が平らであるか又は表面に周期的に配列した凸部と凹部が設けられている発光ガラスを製造する工程と、
前記発光ガラスの表面に、周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層を形成して、前記発光素子を得る工程と、
を含むことを特徴とする、発光素子の製造方法。
【請求項１０】
スパッタリング法、または蒸着法により、前記金属層を前記発光ガラスの表面に形成することを特徴とする、請求項９に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の発光素子の製造方法により発光素子を得る工程と、
金属層に対し陰極線を放出し、該陰極線の励起により、電子ビームはまず金属層を透過し、さらに、発光ガラスを励起して発光させ、発光ガラスから発射した光により、金属層と発光ガラスとの間に表面プラズモン効果を形成し、当該効果により発光ガラスの内部量子効率を大幅に向上させる工程と、
を含むことを特徴とする発光素子の発光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光材料の技術分野に属し、具体的には、発光材料としてガラス基材を含む発光素子、その製造方法、並びにその発光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な発光基体の材料としては、蛍光粉、ナノ結晶及びガラスなどがあり、その中、結晶及び蛍光粉に比べ、ガラスは透明であり、硬くて化学的安定性及び光学的性質にも優れている。また、ガラスは、より容易に各種サイズや形状の製品、例えば、各種形状やサイズの表示デバイスや照明光源などに加工される。
【０００３】
例えば、真空マイクロエレクトロニクスの分野において、電界放出ディバイスは、通常、発光ガラスを発光体として用い、照明と表示技術分野において、広い応用展望を示しており、国内外の研究機構によく注目されていた。電界放出ディバイスの動作原理は、真空環境において、陽極が電界放出陰極アレイ（ＦＥＡｓ：Ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｖｅ  ａｒｒａｙｓ）に対して順電圧を印加して加速電界を形成し、陰極から放出した電子は加速されて陽極板上の発光材料を衝撃することで発光させることである。電界放出ディバイスは、運転温度範囲が広く（−４０℃〜８０℃）、応答時間が短く（＜１ｍｓ）、構造が簡単で、省電力で、環境に優しい要求にもかなう。また、蛍光粉体、発光ガラス、発光薄膜などの材料は、いずれも発光材料として電界放出ディバイスに用いられてもよいが、これらにはいずれも発光能率が低いと言う本質的な問題があり、電界放出ディバイスへの応用、特に照明技術分野への応用が非常に制限されている。
【０００４】
金属構造が励起された表面プラズモンは、その近傍の光子モード密度（フォトニックモード密度）を上昇させることができ、発光基体の発光中心が表面プラズモン場の作用範囲内にある場合には、その自発放出の速度が大きくなり、従って、発光基体の内部量子効率が向上される。同時に、金属マイクロ／ナノ構造が発光基体の導波モードを破壊することで、全反射角より大きい光子を放出することができるため、発光基体の光取り出し効率を向上させる。しかしながら、非周期金属構造の配置がランダムであり、可制御性と一致性とが比較的に劣り、発光中心が放出した光子と表面プラズモンの間の結合効果（カップリング効率）が低いなどの問題があり、光取り出し効率への改善にも非常に限りがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光の均一性が高く、発光効率が高く、安定性がよく、構造が簡単な発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
また、製造プロセスが簡単で、低コストの発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
さらに、取り扱いが簡単で、便利性と信頼性に優れ、発光材料の発光効率が大幅に向上された、発光素子の発光方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光素子は、周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層が表面に形成され、且つ化学成分として希土類イオンがドーピングされた珪酸塩である発光ガラスを含む、ことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の発光素子の製造方法は、
表面が平らであるか、又は周期的に配列した凸部と凹部が表面に設けられた発光ガラスを製造する工程と、
前記発光ガラスの表面に、周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層を形成して前記発光素子を得る工程と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の発光素子の発光方法は、
上記製造方法により発光素子を得る工程と、
金属層に対して陰極線を放出し、陰極線の励起により、金属層と発光ガラスとの間に表面プラズモンを形成して発光ガラスを発光させる工程と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記発光素子において、発光ガラスに周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層を形成することで、陰極線の励起により当該金属層と発光ガラスとの間での界面に表面プラズモンを形成することができ、且つ表面プラズモンの効果により、発光ガラスの内部量子効率を大幅に向上させ、即ち、発光ガラスの自発放出を増強させ、さらに発光ガラスの発光効率を大幅に増強して、発光材料の発光効率が低い問題を解決することができた。同時に、金属層の周期的マイクロ／ナノ構造が発光ガラスの導波モードを破壊するため、全反射角より大きい光子を放出することができ、即ち、発光ガラスの光取り出し効率が向上させて、発光ガラスの全体的発光効率を極めて向上することができる。したがって、発光素子の発光方法において、金属層に対し陰極線を放出するのみで、金属層と発光ガラスとの間に表面プラズモンを形成することができ、これにより発光ガラスの発光効率を大幅に増強し、その発光信頼性を高めることができる。発光素子が発光ガラスと金属層とを含み、このような二層構造は簡単であると共に、発光ガラスと金属層との間に均一な界面が存在するため、非常に高い発光均一性及び安定性を示すことになる。上記発光素子の製造方法において、発光ガラス上に１層の金属層を形成するのみで、前記発光素子を得ることができるため、該製造方法は、そのプロセスが簡単で、コストも低く、幅広い産業への応用展望を有する。
以下、図面及び実施例に基づいて、更に本発明を具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施例の発光素子の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施例において金属層がドットマトリクスの形である発光素子の構成を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例において金属層が三角形である発光素子の構成を模式的に示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例において金属層が矩形である発光素子の構成を模式的に示す図である。
【図５】図５は、図３に示された実施例１で製造した発光素子と、金属層を備えていない発光ガラスとを対比した発光スペクトル図であり、ここで、該発光スペクトルは、島津ＲＦ−５３０１ＰＣ分光器を検出器とし、加速電圧５ＫＶの陰極線の励起により解析し求められたものである。
【図６】図６は、本発明の実施例において金属層が矩形である発光素子の構成を模式的に示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施例において金属層が矩形である発光素子の構成を模式的に示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施例の発光素子の製造方法のフローを示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施例の発光素子の発光方法のフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明が解決しようとする技術課題、技術案及び有益な効果を更に明らかにするために、以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、ここで具体的に記載された実施例は、本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１４】
図１に示すように、本発明の実施例の発光素子１０は、発光ガラス１３及び発光ガラス１３の表面に設けられた金属層１４を含む。該発光ガラス１３は、希土類イオンをドーピングした珪酸塩ガラスであり、金属層１４は、周期的に配列したマイクロ／ナノ構造を有する。
【００１５】
例えば、上記金属層１４の周期的に配列したマイクロ／ナノ構造は、以下のいくつかの実施形態を有することができる。
【００１６】
第１実施形態によれば、上記金属層１４の周期的マイクロ／ナノ構造は、周期的に配列した突起を有する。該周期的に配列する場合の周期とは、隣接する２つの最小繰り返し単位同士の間隔であり、本実施形態においての周期は、隣接した２つの突起の間の間隔である。本実施例の周期Ｐ、即ち、隣接した２つの突起の間の間隔は、５０ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１２００ｎｍであることがさらに好ましい。前記突起の幅、又は／及び２つの突起同士の間の間隔は、０．０５Ｐ〜０．９５Ｐであることが好ましく、０．２Ｐ〜０．８Ｐであることがさらに好ましい。前記突起の高さは、０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましく、１ｎｍ〜１００ｎｍであることがさらに好ましい。２つの突起同士の間の底部の金属層１４（即ち、隣の２つの突起同士を接続している金属層部）の厚さは、０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、０ｎｍ〜５０ｎｍであることがさらに好ましい。前記突起の断面形状は、三角形、正方形、矩形、菱形、円形、楕円形、半球形、円環形、ランダム形状等から選択された少なくとも一種であることが好ましい。
【００１７】
該２つの突起同士の間の底部の金属層１４の厚さが０ｎｍを超える場合、各突起の底部は、厚さが０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満の金属層１４により接続されることが好ましく、０ｎｍより大きく５０ｎｍ未満の金属層１４により接続されることがより好ましい。該２つの突起同士の間の底部の金属層１４の厚さが０ｎｍである場合、各突起は、互いに独立して発光ガラス１３の表面に周期的に配列されることになる。図２、図３及び図４を参照する場合、図２において、２つの突起同士の間の底部の金属層１４の厚さが０ｎｍであり、該突起はドットマトリクスの形であり、且つ突起は発光金属１３の表面に周期的に配列されている。図３において、２つの突起同士の間の底部の金属層１４の厚さは０ｎｍであり、該突起は三角形であり、且つ突起が周期的に発光金属１３の表面に配列されている。図４において、２つの突起の間の底部の金属層１４の厚さが０ｎｍであり、該突起は円形、矩形又は正方形であり、且つ突起が周期的に発光金属１３の表面に配列されている。
【００１８】
第２実施形態によれば、上記周期的マイクロ／ナノ構造は、周期的に配列した金属格子である。該周期的に配列する場合の周期とは、隣の２つの最小繰り返し単位同士の間隔であり、本実施例の周期Ｐ、即ち最小繰り返し単位の間隔は、５０ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１２００ｎｍであることがさらに好ましい。前記金属層１４の薄膜厚さは、０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満であることが好ましく、０ｎｍより大きく５０ｎｍ未満であることがさらに好ましい。
【００１９】
第３実施形態によれば、上記周期的マイクロ／ナノ構造は、孔が周期的に配列された金属層１４の薄膜である。該周期的に配列する場合の周期とは、隣の２つの最小繰り返し単位同士の間隔であり、本実施形態においての周期は、隣の２つの孔の間の間隔である。周期Ｐ、即ち、隣の２つの孔の間の間隔は、５０ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１２００ｎｍであることがさらに好ましい。前記金属層１４の薄膜の厚さは、０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満であることが好ましく、０ｎｍより大きく５０ｎｍ未満であることがさらに好ましい。前記孔の直径は、０．０５Ｐ〜０．９５Ｐであることが好ましく、０．２Ｐ〜０．８Ｐであることがさらに好ましい。前記孔の形状は、三角形、正方形、矩形、菱形、円形、楕円形、半球形、円環形、ランダムな形状等から選択された少なくとも一種であることが好ましく、孔の深さは、金属層１４の厚さと同一でもよく、また金属層１４の厚さより小さくてもよい。
【００２０】
第４実施形態によれば、発光ガラス１３の表面に周期的に配列された凹部及び凸部を有し、前記凹部及び／又は凸部の面上には金属膜層が被覆されている。該金属膜層は、凹部及び凸部の周期的配列に伴って周期的に配列されている。本実施形態において周期的に配列する場合の周期とは、隣接する凸部及び凹部を１つの繰り返し単位としての間隔である。周期Ｐ、即ち凸部及び凹部からなる繰り返し単位の間隔は、５０ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１２００ｎｍであることがさらに好ましい。前記凸部又は凹部の面上の金属層１４の厚さは、０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、０ｎｍ〜５０ｎｍであることがさらに好ましい。前記発光ガラス１３の表面に設けられた凸部又は／及び凹部の幅は、０．０５Ｐ〜０．９５Ｐであることが好ましく、０．２Ｐ〜０．８Ｐであることが最も好ましい。前記凸部又は／及び凹部の断面形状は、三角形、正方形、矩形、菱形、円形、楕円形、半球形、円環形、ランダムな形状等から選択された少なくとも一種であることが好ましい。
【００２１】
上記凸部面上の金属層１４の厚さが０ｎｍである場合、金属層１４は、ほとんど、発光ガラス１３の表面に設けられた周期的配列を有する凹部面上に分布されるため、該周期的配列を有する金属層１４が、前記周期的マイクロ／ナノ構造を構成するようになり、その構造は図６に示された通りである。上記発光ガラス１３の表面に設けられた周期的配列を有する凹部及び凸部の面上の金属層１４の厚さが、いずれも０ｎｍより大きい場合、その構造は、図７に示すように、凹部及び凸部の面上に、いずれも金属層１４が形成され、該凹部及び凸部の面上に形成された金属層１４は、凹部及び凸部面の上下変動に伴って前記周期的マイクロ／ナノ構造を構成することになる。上記発光ガラス１３の表面に設けられた周期的配列を有する凹部面上の金属層１４の厚さは０ｎｍであってもよい。この場合、金属層１４は、ほとんど、発光ガラス１３の表面に設けられた周期的配列を有する凸部面上７に設置されるようになるが、該発光ガラス１３の表面に設けられた周期的配列を有する凹部及び凸部面上の金属層１４の厚さは、同時にゼロになることはできない。
【００２２】
上記金属層１４は、化学的安定性に優れた金属、例えば酸化や腐食を起こしにくい金属であることができ、また、通常に用いられる金属であってもよいが、金、銀、アルミ二ウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、プラチナ（白金）、パラジウム、マグネシウム、亜鉛より選ばれる少なくとも１種の金属からなるものであることが好ましく、金、銀、アルミ二ウムより選ばれる少なくとも１種の金属からなるものであることがさらに好ましい。金属層１４における金属の種類は、それらの単一金属、又は複合金属であってもよい。複合金属としては、上記金属の２種又は２種以上の合金であってもよく、例えば、金属層１４は、銀・アルミ二ウム合金層、又は金・アルミ二ウム合金層であることができ、その中で、銀又は金の重量％は、７０％以上であることが好ましい。
【００２３】
図１〜図４及び図６〜図７に示した上記発光素子１０を発光素子として、超高輝度及び高速稼動の発光ディバイス、例えば電界放出ディスプレイ、電界放出光源、又は大型広告掲示板等の製品に幅広く用いることができる。電界放出ディスプレイを例として、電界放出陰極アレイに対して、陽極は順電圧を印加して加速電界を形成し、陰極から電子を放出すしる。即ち金属層１４に対して陰極線１６を放射し、周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層１４と発光ガラス１３との間に、表面プラズモンを形成し、表面プラズモン効果により、発光ガラス１３の内部量子効率が大幅に向上され、即ち、発光ガラス１３の自発放出が増強される。同時に、周期的構造を有する金属層１４は、発光ガラス１３の導波モードを破壊して、全反射角より大きい光子を放出することができ、即ち、発光ガラス１３の光取り出し効率が向上させるため、発光ガラス１３全体の発光効率を極めて向上して、発光材料の発光効率が低いという問題を解決することができる。同時に、周期的マイクロ／ナノ構造の金属層１４は、良好な可制御性と一致性を有し、金属構造を構成する表面配置や寸法のパラメーターを調節することにより、表面プラズモンを制御することができ、例えば、適当に金属表面配置を設計して、表面プラズモンの共振周波数と発光基体の放出波長とをマッチングさせて、発光基体の内部量子効率を極めて向上することができる。従って、周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層１４を採用することで、現在の発光効率が低い苦境から各種固体発光装置を抜け出せることができ、さらに超高輝度及び高速稼動の新規発光ディバイスの実現に寄与することができる。
【００２４】
図１及び図８に基づいて本発明の実施例における発光素子の製造方法のフローを説明する、該製造方法は、
Ｓ０１：化学成分が希土類イオンをドーピングした珪酸塩であり、かつ表面が平らであるか又は表面に凸部と凹部を周期的に配列して設置した発光ガラス１３を製造する工程と、
Ｓ０２：発光ガラス１３の表面に、周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層１４を形成して発光素子１０を得る工程と、
を含む。
【００２５】
工程Ｓ０１において、該発光ガラス１３は本技術分野によく用いられる方法で製造され、また、従来の微細加工法を採用して、周期的に配列された凸部及び凹部を該発光ガラス１３の表面に設けることができる。また、得られたガラスを、必要に応じてさらに一定の寸法に切断し、バフ研磨の加工をしてもよい。
【００２６】
工程Ｓ０２において、該金属層１４は、上記の少なくとも１種の金属を物理や化学気相堆積法で発光ガラス１３の表面に形成し、例えば、従来の微細加工法、スパッタリング法又は蒸着法で発光ガラス１３の表面に形成することができるが、これらに限られたものでもない。その中、上記金属層１４は、化学的安定性に優れた金属、例えば酸化や腐食を起こしにくい金属であってもよく、その他通常に用いられた金属であってもよいが、金、銀、アルミ二ウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、プラチナ（白金）、パラジウム、マグネシウム、亜鉛より選ばれる少なくとも１種の金属からなるものであることが好ましく、金、銀、アルミより選ばれる少なくとも１種の金属からなるものであることがさらに好ましい。金属層１４においての金属の種類は、それらの単一金属、又は複合金属であってもよい。複合金属としては、上記金属の２種又は２種以上の合金であることができ、例えば、金属層１４は、銀・アルミ二ウム合金層、又は金・アルミ二ウム合金層であることができ、その中で、銀又は金の重量％は７０％以上であることが好ましい。該周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層１４は、従来の微細加工法により発光ガラス１３の表面に形成される。金属層１４の周期Ｐは、５０ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましく、２００ｎｍ〜１２００ｎｍであることがさらに好ましい。該金属層１４の厚さは、上記周期的マイクロ／ナノ構造を有する金属層１４の形状及び分布によって異なり、具体的には、上記の周期的マイクロ／ナノ構造の４つの実施形態の通りである。
【００２７】
発光素子が発光ガラス１３と金属層１４とを含み、このような二層構造は簡単であり、且つ発光ガラス１３と金属層１４との間に均一な界面が存在するため、非常に高い発光均一性及び安定性を示すことになる。同時に、発光ガラス１３を製作した後、必要に応じて該発光ガラス１３の表面に適当な微細加工処理を行い、さらに該発光ガラス１３の表面に１層の金属層１４を追加することのみで、製品を得ることができる。従って、製造方法が簡単で、要求される加工用設備も少ないため、該発光素子の作成コストが低下することになり、企業化・規模生産に適している。
【００２８】
図１及び図９に基づいて本発明の実施例における発光素子の発光方法のフローを説明する。該発光方法は、
Ｓ１１：前記製造方法により発光素子１０を得る工程と、
Ｓ１２：金属層１４に対して陰極線１６を放出し、一部の陰極線が金属層１４を透過して発光ガラス１３を励起して発光させると同時に、金属層１４と発光ガラス１３との間に表面プラズモンを形成して発光ガラス１３の発光が強化させる工程と、
を含む。
【００２９】
発光素子１０は、前記に記載のような各種の構造及び成分などの特徴を有する。実際の適用において、Ｓ１２の工程を実現するために、電界放出ディスプレイや照明光源を用いることができ、真空雰囲気において、陽極から電界放出陰極アレイに対し順電圧を印加して加速電界を形成し、陰極が陰極線１６を放出する。該陰極線１６の励起により、電子ビームはまず金属層１４を透過し、さらに、発光ガラス１３を励起して発光させ、このような過程において、金属層１４と発光ガラス１３との界面で表面プラズモン効果が産生し、該効果により、発光ガラス１３の内部量子効率が大幅に向上させ、即ち、発光材料の自発放出が強化される。同時に、金属層１４の上の周期的マイクロ／ナノ構造により発光ガラス１３の導波モードを破壊することで、光取り出し効率を向上させ、さらに、発光材料の発光効率を大幅に向上させる。
【００３０】
表面プラズモン（ＳＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）とは、金属と誘電体との界面に沿って伝播する波であり、その振幅は、界面から離れるに従って指数関数的に減衰する。金属表面の構造を変更する場合、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰｓ：Ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ）の性質、色分散関係、励起モード、結合効果などには、いずれも大きな変化が発生する。ＳＰＰｓによって起こる電磁界は、サブ波長サイズ構造においての光波の伝播を制限することができるだけでなく、光周波数からマイクロ波の周波数帯までの電磁放出を産生・制御することができ、光の伝播を自発的に制御することができる。そのため、本実施例では、該ＳＰＰｓの励起性能を利用して発光ガラス１３の光学モード密度を増大し、且つその自発放出レートを高める。また、表面プラズモンの結合効果を利用して、発光ガラス１３が光を放射する場合、それと結合共鳴効果を生ずることで、発光ガラス１３の内部量子効率を大幅に向上させることができる；同時に、発光ガラス１３の表面の周期的金属構造が、発光ガラス１３の導波モードを破壊することで、全反射角より大きい光子を放出させることができ、即ち、発光ガラス１３の光取り出し効率を向上するため、発光ガラス１３全体の発光効率を極めて向上することができる。
【００３１】
発光ガラス１３の発光波長の角周波数をω、金属層１４の誘電率をεｍ、金属層１４の周辺の誘電体Ｂの誘電率をεｂとする場合、励起された表面プラズモン・ポラリトンの波数であるｋＳＰは、ｋＳＰ＝ω／（ｃ（εｍεｂ／（εｍ＋εｂ））１／２）を用いて、その近似値を算出することができる。なお、発光ガラス１３の屈折率をｎｇ、周期的構造の逆格子ベクトルの大きさをΚ、発光ガラス１３から発射された光が金属層１４と発光ガラス１３との界面に入射する入射角をθｉ、ｍを整数とする場合、ｎｇ（ω／ｃ）ｓｉｎθｉ＋ｍＫ＝ｋＳＰを満たす光は、表面プラズモン・ポラリトンを励起することができる。また、誘電体Ｂの屈折率をｎｂ、ｎを整数とする場合、励起された表面プラズモン・ポラリトンは、ｎｂ（ω／ｃ）ｓｉｎθｊ＝ｋＳＰ＋ｎＫを満たす角度θｊで、上下２つの表面から光を発射する。
【００３２】
以下、実施例を挙げて、発光素子の異なる構成及びその製造方法、並べに、その性能などについて説明する。
【実施例１】
【００３３】
本実施例において、金属薄膜を有するガラス発光素子の基本構造は図１に示す通りである。大きさが１×１ｃｍ２であり、表面が３０Ｎａ２Ｏ・６Ｙ２Ｏ３・６０ＳｉＯ２・４Ｔｂ２Ｏ３（各酸化物の前の数字はモル比を表す）でバフ研磨された緑色の発光ガラス１３を選び、従来の微細加工技術を利用して、その表面に６つの三角錐状の銀粒子の組合からなる規則正しい周期構造を有する１層の金属層１４を形成し、その構造を図３に模式的に示し、具体的な構造パラメーターも図３に記入し、銀ナノ粒子の高さは３０ｎｍである。発光ガラス１３及び金属層１４から、本実施例の発光素子を得た。
【００３４】
電子銃から発生した陰極線を用いて、本実施例で製造された発光素子を衝撃し、電子ビームは、先ず金属層１４を透過し、さらに発光ガラス１３を励起して発光させ、図５に示す発光スペクトルを産生する。図５においての曲線５１は、金属銀層を設置しなかった場合の発光ガラス１３の発光スペクトルである。曲線５２は、本実施例で製造した金属構造を付加した発光ガラス１３の発光スペクトルである。該図５からわかるように、金属層１４と発光ガラス１３との間に表面プラズモン効果が生じているため、金属層１４を付加しなかった際の発光ガラス１３と比べて、本実施例における金属構造を付加した発光ガラス１３の３００ｎｍ〜７００ｎｍの発光積分強度は、金属層１４を付加しなかった際の発光ガラス１３の発光積分強度の５．５倍であり、発光性能を極めて向上させた。
【００３５】
以下、各実施例の発光スペクトルは、いずれも実施例１と類似しており、各発光素子も類似の発光強度効果を有するため、以下で重複の説明を省略する。
【実施例２】
【００３６】
本実施例の金属薄膜を有するガラス発光素子の基本構造は図１に示す通りである。表面が３０Ｎａ２Ｏ・６Ｙ２Ｏ３・６０ＳｉＯ２・４Ｔｂ２Ｏ３（各酸化物の前の数字はモル比を表す）でバフ研磨された緑色発光ガラス１３を採用し、従来の微細加工技術を利用して、その表面に図４に示すような正方形の結晶格子で配列した円柱状の銀ナノ粒子アレイを形成した。発光ガラス１３及び銀ナノ粒子アレイから本実施例の発光素子を構成する。
【００３７】
周期的金属マイクロ／ナノ構造は、金属構造を構成する表面配置及び寸法パラメーターを調節することにより、表面プラズモンを制御することができ、発光の増強に対し発光波長の選択性を有する。本実施例の金属ナノアレイを例として、発光ガラス１３のピーク発光波長をλ、金属層１４の誘電率をεｍ、誘電体Ｂの誘電率をεｂとする場合、λ＝Ｐ×（εｍεｂ／（εｍ＋εｂ））１／２を満たす周期Ｐは、発光を最大に増加させることができる。周期的金属マイクロ／ナノ構造の表面プラズモンの共振波長λを確定した。本実施例では、発光ガラス１３のピーク発光波長が約５４９ｎｍ（銀ｎ＝０．０６＋３．５８６ｉ）であり、誘電体Ｂが真空であり、上記公式により計算した結果、周期Ｐの値は５２７ｎｍにするべきであった。また、円柱金属粒子の直径を２００ｎｍとし、高さを３０ｎｍとした。この場合、周期的金属構造の表面プラズモンの共振周波数と、発光ガラス１３の発光波長とは重なり、発光ガラス１３の表層で最大の光学モード密度を得ることができで、発光ガラス１３から放出された光子と表面プラズモンとをより良好に結合（カップリング）させ、内部量子効率を向上させて、発光素子の発光効率を向上させる。
【実施例３】
【００３８】
本実施例の金属薄膜を有するガラス発光素子の基本構造は図１に示す通りである。上記製造方法により得られた、表面が３０Ｎａ２Ｏ・６Ｙ２Ｏ３・６０ＳｉＯ２・４Ｅｕ２Ｏ３（各酸化物の前の数字はモル比を表す）でバフ研磨された赤色の発光ガラス１３を採用し、従来の微細加工技術を利用して、その表面に、図１に示すような表面に周期的マイクロ／ナノ構造を有する１層のアルミニウム層を形成し、構造の周期は７００ｎｍで、金属粒子のサイズは２００ｎｍで、金属層１４の高さは５０ｎｍで、金属層１４の凹部から表面までの深さは１０ｎｍである。即ち、本実施例の発光素子を得た。
【実施例４】
【００３９】
本実施例の金属薄膜を有するガラス発光素子の基本構造は図６に示す通りである。表面が３０Ｎａ２Ｏ・６Ｙ２Ｏ３・６０ＳｉＯ２・４Ｔｍ２Ｏ３（各酸化物の前の数字はモル比を表す）でバフ研磨された青色の発光ガラス１３を採用し、従来の微細加工技術を利用して、その表面に１層の周期的マイクロ／ナノ構造を形成し、且つ該構造の周期Ｐが４５０ｎｍであり、周期的マイクロ／ナノ構造の凹部のサイズが５０ｎｍであり、深さが４０ｎｍであり、ガラス表面のマイクロ／ナノ構造の凹部内に１層の厚さ２０ｎｍのプラチナ薄膜を１層の有する。このようにして本実施例の発光素子を得た。
【実施例５】
【００４０】
本実施例の金属薄膜を有するガラス発光素子の基本構造は図８に示す通りである。上記製造方法により得られた、表面が３０Ｎａ２Ｏ・６Ｙ２Ｏ３・６０ＳｉＯ２・２Ｔｍ２Ｏ３・１Ｅｕ２Ｏ３・１Ｔｂ２Ｏ３（各酸化物の前の数字はモル比を表す）でバフ研磨された白色の発光ガラス１３を採用し、従来の微細加工技術を利用して、その表面に周期的マイクロ／ナノ構造を形成し、且つ該マイクロ／ナノ構造の周期は６００ｎｍであり、周期的構造の凸部のサイズが３００ｎｍであり、凹部の深さが１００ｎｍであり、ガラスのマイクロ／ナノ構造の表面に１層の厚さ１０ｎｍのマグネシウム薄膜を有する。このようにして、本実施例の発光素子を得た。
【００４１】
以上は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で行なった任意の変更・同等の入替・改良などは、すべて本発明の保護範囲に含まれるべきである。
【図１】
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【図２】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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