(57)【要約】  プラズモニック構造体（１００）は、反射面（１０４）と、誘電体層（１０２）と、少なくとも１つの突起（１０１）とを備える。誘電体層（１０２）は、反射面（１０４）上に積層される。突起（１０１）は、誘電体層（１０２）上に配置される。突起（１０１）と誘電体層（１０２）との界面（１０６）に表面プラズモン共鳴を誘起させ、特定の波長帯の光が界面（１０６）においてプラズモン吸収されるように、反射面（１０４）、誘電体層（１０２）及び突起（１０１）の材質、誘電体層（１０２）の厚み、突起（１０１）の高さ及び形状、並びに、界面（１０６）の大きさが制御されている。
2017135430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面と、
前記反射面上に積層された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された少なくとも１つの突起と
を備え、
前記突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴を誘起させ、特定の波長帯の光が前記界面においてプラズモン吸収されるように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されている、プラズモニック構造体。
【請求項２】
可視光領域の反射スペクトルにおいて特定の波長帯の反射率が落ち込むように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されている、請求項１に記載のプラズモニック構造体。
【請求項３】
前記突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の突起を含み、
前記複数種類の突起の各々と前記誘電体層との各界面において、前記各界面の大きさに応じた特定の波長帯の光がプラズモン吸収される、請求項１又は請求項２に記載のプラズモニック構造体。
【請求項４】
前記反射面及び前記突起はそれぞれ金属を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項５】
金属反射層と、
前記金属反射層上に積層された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された少なくとも１つの金属突起と
を備え、
前記金属突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴が誘起されて、特定の色が発生する、カラー生成構造体。
【請求項６】
前記金属突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の金属突起を含む、請求項５に記載のカラー生成構造体。
【請求項７】
前記複数種類の金属突起により、互いに異なる色が発生する、請求項６に記載のカラー生成構造体。
【請求項８】
前記複数種類の金属突起は近接して配置され、
前記複数種類の金属突起により、黒系の色が発生する、請求項６に記載のカラー生成構造体。
【請求項９】
前記複数種類の金属突起は近接して配置され、
前記複数種類の金属突起により、混色が発生する、請求項６に記載のカラー生成構造体。
【請求項１０】
前記複数種類の金属突起は、０よりも大きく４００ｎｍ四方未満の面積を有する領域内に配置される、請求項８又は請求項９に記載のカラー生成構造体。
【請求項１１】
請求項５から請求項１０のいずれか１項に記載のカラー生成構造体を含む、記録媒体。
【請求項１２】
前記金属突起を保護する保護層を更に備える、請求項１１に記載の記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズモニック構造体、カラー生成構造体、及び記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集団電子励起（いわゆる表面プラズモン共振）を伴うナノ構造を、サブ波長スケールのカラープリントに応用する研究が盛んに行われている。例えば、特許文献１及び非特許文献１には、４つの細長い円柱状のナノ構造を１つの組（ピクセル）として、各組ごとに所望の色を生成するプリント技術が開示されている。このプリント技術によれば、回折限界ピクセル（可視波長領域において２５０ｎｍ四方以上３００ｎｍ四方以下）で個別に色を生成できる。この特徴により、プリント解像度を１００、０００ｄｐｉまで向上させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０３９４５４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Kumar, K.; Duan, H.; Hegde, R. S.; Koh, S. C. W.; Wei, J. N.; Yang, J. K. W. Nat. 「Printing color at the optical diffraction limit」 Nanotechnol. 2012, 7, 557-561.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に開示されている技術では、特定の色を生成するために、１つのピクセルを構成する４つの円柱状のナノ構造の直径及び間隔を制御して、プラズモン吸収によって閉じ込める光の波長を決定している。このため、複雑な設計が必要であった。【０００６】
本発明者らは、集団電子励起を伴うナノ構造について鋭意研究を行い、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、複雑な設計を要することなく特定の波長の光をプラズモン吸収できるプラズモニック構造体を提供することを目的とする。更に、本発明は、複雑な設計を要することなく特定の色を生成できるカラー生成構造体と、それを用いた記録媒体と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】
【０００７】
本発明に係るプラズモニック構造体は、反射面と、誘電体層と、少なくとも１つの突起とを備える。前記誘電体層は、前記反射面上に積層される。前記突起は、前記誘電体層上に配置される。前記突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴を誘起させ、特定の波長帯の光が前記界面においてプラズモン吸収されるように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されている。【０００８】
ある実施形態では、可視光領域（可視波長領域）の反射スペクトルにおいて特定の波長帯の反射率が落ち込むように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されている。【０００９】
ある実施形態において、前記突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の突起を含む。前記複数種類の突起の各々と前記誘電体層との各界面において、前記各界面の大きさに応じた特定の波長帯の光がプラズモン吸収される。【００１０】
ある実施形態において、前記反射面及び前記突起はそれぞれ金属を含む。【００１１】
本発明に係るカラー生成構造体は、金属反射層と、誘電体層と、少なくとも１つの金属突起とを備える。前記誘電体層は、前記金属反射層上に積層される。前記金属突起は、前記誘電体層上に配置される。前記金属突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴が誘起されて、特定の色が発生する。【００１２】
ある実施形態において、前記金属突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の金属突起を含む。【００１３】
ある実施形態において、前記複数種類の金属突起により、互いに異なる色が発生する。【００１４】
ある実施形態において、前記複数種類の金属突起は、近接して配置される。【００１５】
ある実施形態において、前記複数種類の金属突起により、黒系の色が発生する。【００１６】
ある実施形態において、前記複数種類の金属突起により、混色が発生する。【００１７】
ある実施形態において、前記複数種類の金属突起は、０よりも大きく４００ｎｍ四方以下の面積を有する領域内に配置される。【００１８】
本発明に係る記録媒体は、上記のカラー生成構造体を含む。【００１９】
ある実施形態において、前記記録媒体は、前記金属突起を保護する保護層を更に備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るプラズモニック構造体によれば、複雑な設計を要することなく特定の波長の光をプラズモン吸収することが可能となる。また、本発明に係るカラー生成構造体によれば、複雑な設計を要することなく特定の色を生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態１に係るプラズモニック構造体を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るプラズモニック構造体を示す平面図である。
【図３】ナノディスクの直径を変化させた際の各光波長における光吸収断面積のシミュレーション結果を示す図である。
【図４Ａ】波長３７０ｎｍの光を照射した際のナノディスク近傍の電場分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４Ｂ】波長８１５ｎｍの光を照射した際のナノディスク近傍の電場分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態１に係るプラズモニック構造体の作製プロセスの概略を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態１に係るプラズモニック構造体の作製プロセスの概略を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態１に係るプラズモニック構造体の作製プロセスの概略を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態１に係るプラズモニック構造体の作製プロセスの概略を示す図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態２に係るプラズモニック構造体を示す平面図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態２に係る３種類の黒色ピクセルの反射スペクトルの各シミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３に係るプラズモニック構造体を示す平面図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の実施形態３に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態３に係るシミュレーションにおいて設定されたナノディスクを示す平面図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態３に係るシミュレーションにおいて設定されたナノディスクを示す平面図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施形態３に係るシミュレーションにおいて設定されたナノディスクを示す平面図である。
【図１２Ｄ】本発明の実施形態３に係るシミュレーションにおいて設定されたナノディスクを示す平面図である。
【図１３】本発明の実施形態４に係るプラズモニック構造体を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施例に係る実験装置を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施例に係るプラズモニック構造体のＳＥＭ像の一例を示す図である。
【図１６】本発明の実施例１に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図１７】本発明の実施例２に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図１８】本発明の実施例３に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図１９】本発明の実施例４に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図２０】本発明の実施例５に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図２１】本発明の実施例６に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図２２】本発明の実施例７に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図２３】本発明の実施例８に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図２４】ｐ偏光の入射角を変化させて計算した反射率のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】ｐ偏光の入射角を示す図である。
【図２６】ｓ偏光の入射角を変化させて計算した反射率のシミュレーション結果を示す図である。
【図２７】ｓ偏光の入射角を示す図である。
【図２８Ａ】本発明の実施例９〜１２に係るプラズモニック構造体の光学像を示す図である。
【図２８Ｂ】本発明の実施例９〜１２に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図２９Ａ】本発明の実施例１３に係るチェッカーボードパターンの光学像を示す図である。
【図２９Ｂ】本発明の実施例１３に係るチェッカーボードパターンのＳＥＭ像を示す図である。
【図３０】本発明の実施例１４に係る２次元反射度マップを示す図である。
【図３１】本発明の実施例１４に係る実験結果をＣＩＥ１９３１色度図にプロットした図である。
【図３２Ａ】本発明の実施例１５に係る黒色ピクセルのＳＥＭ像を示す図である。
【図３２Ｂ】本発明の実施例１５に係る黒色ピクセルの光学像を示す図である。
【図３３】本発明の実施例１５に係る黒色ピクセルの反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【図３４Ａ】本発明の実施例１５に係るチェッカーボードパターンの光学像を示す図である。
【図３４Ｂ】本発明の実施例１５に係るチェッカーボードパターンのＳＥＭ像を示す図である。
【図３５Ａ】本発明の実施例１６に係る記録媒体の光学像を示す図である。
【図３５Ｂ】本発明の実施例１６に係る記録媒体の一部を拡大したＳＥＭ像を示す図である。
【図３５Ｃ】本発明の実施例１６に係る記録媒体の他の一部を拡大したＳＥＭ像を示す図である。
【図３６Ａ】本発明の実施例１７に係るプラズモニック構造体のＳＥＭ像を示す図である。
【図３６Ｂ】本発明の実施例１７に係るプラズモニック構造体の反射特性の偏光依存性を示す図である。
【図３７】本発明の実施例１８に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。但し、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００２３】
［実施形態１］
図１及び図２を参照して、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００の構成を説明する。図１は、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００を示す断面図である。図２は、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００を示す平面図である。
【００２４】
図１及び図２に示すように、プラズモニック構造体１００は、ナノディスク１０１（突起の一例）と、誘電体層１０２と、基層１０３とを備える。ナノディスク１０１は誘電体層１０２上に配置される。誘電体層１０２は、基層１０３上に積層される。基層１０３の誘電体層１０２側の面１０４は、反射面を構成する。以下、面１０４を反射面１０４と記載する。本実施形態において、基層１０３は、基板１０５上に積層されている。
【００２５】
ナノディスク１０１、誘電体層１０２及び基層１０３（即ち、反射面１０４）の材質、ナノディスク１０１の高さ、誘電体層１０２の厚み、並びに、ナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６の大きさは、所定の条件を満たすように制御されている。所定の条件とは、ナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６において特定の波長帯の光がプラズモン吸収されることである。特定の波長帯の光は、プラズモニック構造体１００に光（例えば、無偏光の白色光）を照射して、ナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６に表面プラズモン共鳴を誘起させることによって、プラズモン吸収される。以下、所定の条件をプラズモン吸収条件と記載する。なお、本実施形態において、ナノディスク１０１は円柱状である。したがって、ナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６の大きさは、ナノディスク１０１の直径に依存する。
【００２６】
ナノディスク１０１の材質、高さ及び直径は、プラズモン吸収条件を満たす限り特に限定されない。ナノディスク１０１の材料には、例えば、アルミニウムや、金、銀、銅、ナトリウム、カリウム、インジウム、又はルビジウムのような金属、あるいは、酸化インジウムスズ（ｔｉｎ−ｄｏｐｅｄ  ｉｎｄｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）や、アルミニウムドープ酸化亜鉛（Ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ；ＡＺＯ）、又はガリウムドープ酸化亜鉛（Ｇａｌｌｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ；ＧＺＯ）のような半導体又は金属酸化物のいずれかを採用し得る。ナノディスク１０１の高さは、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、ナノディスク１０１の直径は、例えば２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００２７】
誘電体層１０２の材質及び厚みもプラズモン吸収条件を満たす限り特に限定されない。誘電体層１０２の材料には、例えば、酸化アルミニウム（いわゆる、アルミナ）や、石英、ガラス、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ化マグネシウム、又はフッ化カルシウムのいずれかを採用し得る。誘電体層１０２の厚みは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。同様に、基層１０３の材質もプラズモン吸収条件を満たす限り特に限定されない。基層１０３の材料には、例えば、アルミニウムや、金、銀、銅、ナトリウム、カリウム、インジウム、又はルビジウムのような金属、あるいは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）や、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、又はガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）のような半導体又は金属酸化物のいずれかを採用し得る。
【００２８】
なお、基板１０５の材質は、基板１０５上に基層１０３を積層できる限り特に限定されない。基板１０５の材料には、例えば、シリコンや、石英、ガラス、金属、半導体、ポリマー、カーボン材料、又は紙のいずれかを採用し得る。
【００２９】
続いて図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、ナノディスク１０１の光学共振特性を説明する。図３は、ナノディスク１０１の直径ｄを変化させた際の各光波長における光吸収断面積のシミュレーション結果を示す図である。図４Ａは、波長３７０ｎｍの光を照射した際のナノディスク１０１近傍の電場分布のシミュレーション結果を示す図である。図４Ｂは、波長８１５ｎｍの光を照射した際のナノディスク１０１近傍の電場分布のシミュレーション結果を示す図である。
【００３０】
各シミュレーションにおいて、ナノディスク１０１の材料はアルミニウムに設定し、ナノディスク１０１の高さは４０ｎｍに設定した。また、誘電体層１０２の材料はアルミナに設定し、誘電体層１０２の厚みは３０ｎｍに設定した。基層１０３の材料はアルミニウムに設定し、基層１０３の厚みは１００ｎｍに設定した。図４Ａ及び図４Ｂに示す電場分布のシミュレーションにおいては、ナノディスク１０１の直径ｄを１６０ｎｍに設定した。各シミュレーションには、ＣＯＭＳＯＬ  Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを使用した。即ち、三次元有限要素法に基づくシミュレーションを実行した。なお、各シミュレーションにおいて、実験データの線形補間により得たアルミニウムの誘電率を使用した。
【００３１】
図３において、縦軸はナノディスク１０１の直径ｄ（ｎｍ）を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。図３は、明るい領域ほど（濃淡が淡い領域又は濃度が薄い領域ほど）、光の吸収が大きい（強い）ことを示している。換言すると、反射スペクトルにおいて反射率の落ち込み（ディップ）が発生していることを示している。図３に示すように、ナノディスク１０１の直径ｄを５０ｎｍから３００ｎｍまで変化させると、明るい帯状の領域（光吸収領域）が２つ発生する。２つの光吸収領域はいずれも、ナノディスク１０１の直径ｄが増加するにつれて赤外領域側へシフトする。
【００３２】
なお、図３は可視波長領域（可視光領域）におけるプラズモン吸収特性（反射率の落ち込み）を示しているが、プラズモニック構造体１００は、ナノディスク１０１の直径ｄを制御することにより、赤外領域又は紫外領域においても特定の波長帯の反射率を低くすることができる。
【００３３】
図４Ａに示す電場分布は、図３に示すＡ点に対応している。図４Ｂに示す電場分布は、図３に示すＢ点に対応している。図４Ａ及び図４Ｂは、明るい領域ほど（濃淡が淡い領域又は濃度が薄い領域ほど）、電場が増強されていることを示している。なお、電場分布には、入射電場｜Ｅ0｜で標準化したものを用いた。図４Ａに示すように、３７０ｎｍの波長を有する光を照射すると、誘電体層１０２（アルミナ層）において、表面プラズモンに対し３次定在波共振が励起する。また、図４Ｂに示すように、８１５ｎｍの波長を有する光を照射すると、誘電体層１０２（アルミナ層）において、表面プラズモンに対し１次定在波共振が励起する。
【００３４】
したがって、本実施形態によれば、単一のナノディスク１０１の直径ｄ（定在波に対する実質的なキャビティ長）によって共振条件を決定することができる。換言すると、ナノディスク１０１の直径ｄを制御することにより、ナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６に特定の波長帯の光を閉じ込めることができる。よって、ナノディスク１０１の直径ｄを制御することにより、ナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６に表面プラズモン共鳴を誘起させて、特定の波長帯の光をプラズモン吸収することができる。
【００３５】
また、単一のナノディスク１０１と誘電体層１０２との界面１０６に閉じ込められる光の波長は、ナノディスク１０１の直径ｄだけではなく、ナノディスク１０１、誘電体層１０２及び基層１０３の材質、ナノディスク１０１の高さ、並びに誘電体層１０２の厚みの各パラメーターにも依存する。したがって、ナノディスク１０１、誘電体層１０２及び基層１０３の材質、ナノディスク１０１の高さ、並びに誘電体層１０２の厚みのうちのいずれかを制御することにより、特定の波長帯の光をプラズモン吸収することができる。
【００３６】
更に、本実施形態によれば、単一のナノディスク１０１によって２つの光吸収領域を発生させることができる。よって、反射スペクトルに単一のスペクトルピークを発生させることができる。したがて、ナノディスク１０１の直径ｄ等の各パラメーターを制御することにより、可視波長領域の反射スペクトルに単一のスペクトルピークを発生させることができる。換言すると、単一のナノディスク１０１によって、特定の色を生成することができる。よって、様々な原色を高色純度及び高彩度で生成することができる。つまり、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００は、特定の色を生成するカラー生成構造体を構成することができる。具体的には、色の生成は、可視波長領域の反射スペクトルにおいて特定の波長帯の反射率を低くすることにより達成される。
【００３７】
図１及び図２を参照して説明したプラズモニック構造体１００は、１つのナノディスク１０１を備えたが、プラズモニック構造体１００は、複数のナノディスク１０１を備え得る。したがって、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００（カラー生成構造体）は、印刷物のような記録媒体を構成することもできる。即ち、所望の画像が形成されるように複数のナノディスク１０１を誘電体層１０２上に配列することにより、プラズモニック構造体１００は記録媒体となる。あるいは、１つのナノディスク１０１を備える複数のプラズモニック構造体１００を配列することにより、記録媒体を構成することができる。
【００３８】
更に、複数のナノディスク１０１の直径ｄをそれぞれ制御することにより、各ナノディスク１０１と誘電体層１０２との各界面１０６において、それぞれの直径ｄに応じた特定の波長帯の光をプラズモン吸収することができる。したがって、複数のナノディスク１０１を備えるプラズモニック構造体１００から、互いに異なる色を発生させることができる。あるいは、１つのナノディスク１０１を備える複数のプラズモニック構造体１００を配列して、各プラズモニック構造体１００から互いに異なる色を発生させることができる。よって、単一のナノディスク１０１を単一の色素子として機能させることができる。
【００３９】
なお、光吸収断面積は、ナノディスク１０１の構造断面積を超えることも可能である。例えば、ナノディスク１０１の直径ｄが２００ｎｍである場合、光吸収断面積は、構造断面積（０．３１４×１０5ｎｍ2）を超えて、光の回折限界である３００ｎｍ四方のサブ波長ピクセルの面積（０．９×１０5ｎｍ2）と同じ大きさとなる。よって、ナノディスク１０１の直径ｄを２００ｎｍ以上とすることにより、１つのナノディスク１０１を用いて１つのピクセルを構成して、画像を形成することができる。一方、ナノディスク１０１の直径ｄが２００ｎｍ未満の場合には、複数のナノディスク１０１を用いて１つのピクセルを構成すればよい。
【００４０】
プラズモニック構造体１００の製造方法は、特に限定されない。例えば、電子ビームリソグラフィ法又はナノインプリント法を用いて製造することができる。以下では、電子ビームリソグラフィ法を用いてプラズモニック構造体１００を製造する方法を説明する。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｄは、プラズモニック構造体１００の作製プロセスの概略を示す図である。図５Ａ〜図５Ｄに示す具体例は、アルミナ薄膜１０２ａ（誘電体層１０２）によって表面が被覆されたアルミニウムフィルム１０３ａ（基層１０３）上に、複数のアルミニウム製ナノディスク１０１ａ（ナノディスク１０１）を形成するプロセスを示している。
【００４２】
まず、図５Ａに示すように、電子ビーム蒸着により、シリコン基板１０５ａ上に、アルミナ薄膜１０２ａによって表面が被覆されたアルミニウムフィルム１０３ａを堆積させる。次に、図５Ｂに示すように、アルミナ薄膜１０２ａ上にポジレジスト膜３０１をスピンコートした後、電子ビームリソグラフィにより、ポジレジスト膜３０１をパターンニングする。次に、図５Ｃに示すように、抵抗加熱蒸着により、アルミニウム薄膜１０１ｂを堆積させる。最後に、図５Ｄに示すように、アセトン浴槽でポジレジスト膜３０１をリフトオフすることにより、アルミニウム製ナノディスク１０１ａが形成される。
【００４３】
以上、実施形態１について説明した。本実施形態によれば、複雑な設計を要することなく特定の波長の光をプラズモン吸収することが可能となる。また、本実施形態によれば、複雑な設計を要することなく特定の色を生成することが可能となる。即ち、ナノディスク１０１、誘電体層１０２及び基層１０３（即ち、反射面１０４）の材質、ナノディスク１０１の高さ及び直径、並びに、誘電体層１０２の厚みの各パラメーターのうちの１つを制御することにより、特定の波長の光をプラズモン吸収することができる。同様に、各パラメーターのうちの１つを制御することにより、特定の色を生成することができる。
【００４４】
更に本実施形態によれば、アルミニウムを用いることができる。したがって、耐久性及び安定性の向上を図ることができる。また、コストの低減を図ることができる。
【００４５】
なお、誘電体層１０２上に配置する突起は、円柱状のナノディスク１０１に限定されない。突起の形状は、プラズモン吸収条件を満たす形状であればよく、例えば、楕円柱状であり得る。あるいは、突起の形状は、三角柱状や四角柱状のような多角形柱状、又は、五線星形柱状や六線星形柱状のような星形柱状であり得る。あるいは、突起の形状は、円錐形状や三角錐形状のような錐形状であり得る。あるいは、突起の形状は、滴形状、又は樽形状であり得る。
【００４６】
［実施形態２］
続いて実施形態２について説明する。但し、実施形態１と異なる事項を説明し、実施形態１と同じ事項についての説明は割愛する。実施形態２は、プラズモニック構造体１００が黒系の色を生成する点で実施形態１と異なる。
【００４７】
実施形態１で説明したように、ナノディスク１０１の直径ｄを制御することにより、プラズモン吸収される光波長を変化させることができる。よって、互いに直径ｄが異なる複数種類のナノディスク１０１を近接して配置することにより、それらが配置された領域において、複数の波長帯の反射率を落ち込ませることができる。例えば、ある微小領域内（例えば、０よりも大きく４００ｎｍ四方未満の面積を有する領域内）に、２種類以上のナノディスク１０１を、その微小領域からはみ出さず、かつ互いに接しないように配置することにより、複数の波長帯の反射率を落ち込ませることができる。したがって、近接配置された各ナノディスク１０１の直径ｄを制御して、可視波長領域の反射率を全体的に低下させ、黒系の色を生成することができる。以下、黒系の色が発生する領域を黒色ピクセルと記載する場合がある。
【００４８】
図６Ａは、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００を示す平面図である。図６Ａに示すように、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００（カラー生成構造体）は、４つのナノディスク１０１を備える。４つのナノディスク１０１は近接配置されて、ユニット（突起ユニットの一例）を構成する。本実施形態において、４つのナノディスク１０１は、矩形領域６０１の各隅に対応して配置される。本実施形態において、矩形領域６０１は黒色ピクセルである。矩形領域６０１は、例えば、正方形の領域である。また、矩形領域６０１は、０よりも大きく４００ｎｍ四方未満の面積を有し得る。換言すると、矩形領域６０１は、サブ波長ピクセルであり得る。あるいは、矩形領域６０１は、回折限界ピクセルであり得る。サブ波長ピクセルは、例えば、５０ｎｍ四方以上４００ｎｍ四方未満の面積を有する。
【００４９】
４つのナノディスク１０１は、２つの第１ナノディスク２０１と、第２ナノディスク２０２と、第３ナノディスク２０３とを含む。２つの第１ナノディスク２０１は、矩形領域６０１の一方の対角線方向において対向する。第２ナノディスク２０２及び第３ナノディスク２０３は、矩形領域６０１の他方の対角線方向において対向する。
【００５０】
第１ナノディスク２０１、第２ナノディスク２０２、及び第３ナノディスク２０３は互いに直径が異なる。具体的には、第１ナノディスク２０１の直径ｄ１は、第２ナノディスク２０２の直径ｄ２よりも小さく、第２ナノディスク２０２の直径ｄ２は、第３ナノディスク２０３の直径ｄ３よりも小さい。
【００５１】
直径ｄ１〜ｄ３は、第１ナノディスク２０１〜第３ナノディスク２０３の各々において共振する波長（即ち、スペクトル吸収される波長）が重ならないように設定する。また、直径ｄ１〜ｄ３は、第１ナノディスク２０１〜第３ナノディスク２０３の各々が矩形領域６０１の面積をカバーできる吸収断面積を有するように設定する。例えば、ｄ１＝８０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、ｄ３＝１２０ｎｍに設定することにより、３００ｎｍ四方（３００ｎｍ×３００ｎｍ）の黒色ピクセル（矩形領域６０１）を構成することができる。換言すると、サブ波長黒色ピクセルを構成することができる。
【００５２】
図６Ｂは、３種類の黒色ピクセルの反射スペクトルの各シミュレーション結果を示す図である。図６Ｂにおいて、縦軸は反射率を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、実線は第１黒色ピクセルの反射スペクトルのシミュレーション結果を示し、一点鎖線は第２黒色ピクセルの反射スペクトルのシミュレーション結果を示し、二点鎖線は第３黒色ピクセルの反射スペクトルのシミュレーション結果を示す。また、縦軸に沿った破線は、各反射スペクトルにおける反射率のくぼみ（ディップ）の位置（波長）を示している。換言すると、共振波長（強く吸収されている波長）を示している。
【００５３】
具体的には、第１黒色ピクセルのシミュレーションでは、ｄ１＝８０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、ｄ３＝１２０ｎｍに設定した。第２黒色ピクセルのシミュレーションでは、ｄ１＝８０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、ｄ３＝１３０ｎｍに設定した。第３黒色ピクセルのシミュレーションでは、ｄ１＝７０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、ｄ３＝１２０ｎｍに設定した。また、各シミュレーションにおいて、黒色ピクセルのサイズは３００ｎｍ×３００ｎｍに設定した。なお、ナノディスク１０１の材料等の他の条件は、図３を参照して説明したシミュレーションと同じ条件とした。
【００５４】
図６Ｂに示すように、強い吸収（反射率５０％以下）が広いバンド幅にわたって得られている。また、各反射スペクトルにおいて３つのくぼみが発生している。３つのくぼみは、第１ナノディスク２０１〜第３ナノディスク２０３の各々において誘起される１次定在波共振によるものであると推察される。したがって、ナノディスク１０１間の間隔が狭い場合であっても、各ナノディスク１０１の光学共振特性は維持されている。
【００５５】
また、第３ナノディスク２０３の直径ｄ３を１２０ｎｍから１３０ｎｍに変更すると、長波長側のくぼみの位置（共振波長）が６６０ｎｍから７００ｎｍにシフトするが（長波長側の２つの破線を参照）、他の共振波長は影響を受けない。一方、第１ナノディスク２０１の直径ｄ１を８０ｎｍから７０ｎｍに変更すると、短波長側のくぼみの位置が４８５ｎｍから４５０ｎｍにシフトするが（短波長側の２つの破線を参照）、他の共振波長は影響を受けない。したがって、黒色ピクセルを構成するナノディスク１０１の直径ｄを制御することにより、黒色ピクセルの反射スペクトルを調節することができる。
【００５６】
以上、実施形態２について説明した。本実施形態によれば、複雑な設計を要することなく黒系の色を生成することが可能となる。即ち、近接配置した複数のナノディスク１０１の各々の直径ｄを制御することにより、黒系の色を生成することができる。
【００５７】
［実施形態３］
続いて実施形態３について説明する。但し、実施形態１及び実施形態２と異なる事項を説明し、実施形態１及び実施形態２と同じ事項についての説明は割愛する。実施形態３は、ナノディスク１０１が楕円柱状である点で実施形態１及び実施形態２と異なる。
【００５８】
図７は、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００を示す平面図である。図７に示すように、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００は、楕円柱状のナノディスク１０１を備える。楕円柱状のナノディスク１０１は第１軸ａ及び第２軸ｂを有する。
【００５９】
続いて図８〜図１１を参照して、ナノディスク１０１を円柱状から楕円柱状に変更すると、入射偏光への強い依存性が現れることを説明する。図８〜図１１は、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００の反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。詳しくは、図８〜図１１は、互いに直交するｘ偏光及びｙ偏光のそれぞれに対する反射スペクトルを示す。本実施形態に係るシミュレーションにおいて、楕円柱状のナノディスク１０１に対するｘ偏光の偏光方向（電場ベクトルＥの方向）は、図７の破線の矢印で示す方向であり、第１軸ａと平行である。また、楕円柱状のナノディスク１０１に対するｙ偏光の偏光方向（電場ベクトルＥの方向）は、図７の実線の矢印で示す方向であり、第２軸ｂと平行である。
【００６０】
本実施形態に係るシミュレーションでは、第１軸ａを１４０ｎｍに設定（固定）し、第２軸ｂを変化させた。具体的には、図８は、第２軸ｂを１００ｎｍに設定することによって得られる反射スペクトルを示す。図９は、第２軸ｂを１４０ｎｍに設定することによって得られる反射スペクトルを示す。即ち、図９は、円柱状のナノディスク１０１を備えたプラズモニック構造体１００のシミュレーション結果を示す。図１０は、第２軸ｂを１８０ｎｍに設定することによって得られる反射スペクトルを示す。図１１は、第２軸ｂを２２０ｎｍに設定することによって得られる反射スペクトルを示す。図１２Ａ〜図１２Ｄはそれぞれ、図８〜図１１に示す各シミュレーションにおいて設定された各ナノディスク１０１を示す平面図である。なお、ナノディスク１０１の材料等の他の条件は、図３を参照して説明したシミュレーションと同じ条件とした。
【００６１】
図８〜図１１において、縦軸は反射率を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、実線は、ｙ偏光に対する反射スペクトルを示し、破線は、ｘ偏光に対する反射スペクトルを示している。図８〜図１１に示すように、第２軸ｂを１００ｎｍから２２０ｎｍまで変化させると、ｙ偏光に対する反射スペクトルのくぼみの位置（共振波長）が赤外領域側へシフトする。一方、ｘ偏光に対する反射スペクトルには変化がない。これらの結果は、定在波共振の共振波長が、入射偏光に平行なキャビティ長によって決まるという事実と一致している。
【００６２】
以上、実施形態３について説明した。本実施形態によれば、ナノディスク１０１を楕円柱状のような非対称な形状とすることにより、反射特性に偏光依存を与えることができる。これにより、高密度光学データ記憶や立体カラー印刷が可能となる。
【００６３】
［実施形態４］
続いて実施形態４について説明する。但し、実施形態１〜実施形態３と異なる事項を説明し、実施形態１〜実施形態３と同じ事項についての説明は割愛する。実施形態４は、プラズモニック構造体１００が保護層を備える点で実施形態１〜実施形態３と異なる。
【００６４】
図１３は、本実施形態に係るプラズモニック構造体１００を示す断面図である。図１３に示すように、プラズモニック構造体１００は、ナノディスク１０１を保護する保護層１０７を更に備え得る。保護層１０７の材質及び厚みは、実施形態１において説明したプラズモン吸収条件を満たす限り特に限定されない。例えば、保護層１０７の材料として、電子線レジストポリマーのような高分子を採用し得る。また、保護層１０７の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり得る。
【００６５】
以上、実施形態４について説明した。本実施形態によれば、ナノディスク１０１を保護層１０７によって機械的且つ化学的に保護することができる。したがって、プラズモニック構造体１００の耐久性を向上させることができる。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。
【００６７】
例えば、本発明の実施形態では、互いに直径ｄが異なる３種類のナノディスク１０１を用いて黒色ピクセルを構成したが、本発明はこれに限定されない。即ち、黒系の色を生成することができる限り、互いに直径ｄが異なる２種類のナノディスク１０１を用いてもよいし、互いに直径ｄが異なる４種類以上のナノディスク１０１を用いてもよい。
【００６８】
また、本発明の実施形態では、４つのナノディスク１０１を用いて黒色ピクセルを構成したが、本発明はこれに限定されない。即ち、黒系の色を生成することができる限り、２つのナノディスク１０１を用いてもよいし、４つ以上のナノディスク１０１を用いてもよい。
【００６９】
また、本発明の実施形態では、黒色ピクセルの形状が矩形状であったが、黒色ピクセルの形状は特に限定されるものではなく、例えば、三角形や五角形のような多角形状であり得る。又は、黒色ピクセルの形状は、円形や星形などであってもよい。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。【００７１】
本発明の実施例では、図５Ａ〜図５Ｄを参照して説明した電子ビームリソグラフィ法を用いた製造方法によって、プラズモニック構造体を製造した。具体的には、アルミナ薄膜（膜厚３０ｎｍ）によって表面が被覆されたアルミニウムフィルム（膜厚１００ｎｍ）上に、円柱状のアルミニウム製ナノディスク（高さ４０ｎｍ）を形成した。ナノディスクの直径は、色（黒系の色を含む）の生成が可能なサイズに制御した。より詳しくは、厚さ１５０ｎｍのポジレジスト（日本ゼオン株式会社製、ＺＥＰ５２０Ａ）をスピンコートした。電子線リソソグラフィには、株式会社エリオニクス社製のＥＬＳ−７７００Ｔを用いた。また、抵抗加熱蒸着により、厚さ４０ｎｍのアルミニウムを堆積させた。【００７２】
図１４は、本発明の実施例に係る実験装置１１００を示す概略図である。図１４に示すように、明視野画像撮影用ＣＣＤカラーカメラ１１０１（株式会社ニコン社製、ＤＳ−Ｆｉ１）及びスペクトロメーター１１０２（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｉｎｃ．社製、ＱＥ６５  Ｐｒｏ）が接続された共焦点化顕微鏡を用いて反射測定を行った。ハロゲンランプ（１００Ｗ）からの無偏光白色光Ｌ１を、対物レンズ１１０３を介してサンプルＳ（プラズモニック構造体）に照射した。対物レンズ１１０３には、２０倍率、開口数０．４５の反射測定用対物レンズ（株式会社ニコン社製、Ｔｕ Ｐｌａｎ Ｆｕｏｒ ＢＤ）、又は１５０倍率、開口数０．９の解像度テスト用対物レンズ（株式会社ニコン社製、Ｔｕ Ｐｌａｎ Ａｐｏ ＢＤ）を用いた。反射測定用対物レンズは、スペクトルの測定及びカラー像の撮影に用いた。解像度テスト用対物レンズは、ピクセルの解像度のテストに用いた。サンプルＳからの反射光Ｌ２を、対物レンズ１１０３、及びスペクトル測定用共焦点光学系１１０４を介して、明視野画像撮影用ＣＣＤカラーカメラ１１０１又はスペクトロメーター１１０２で記録した。スペクトルは、標準銀鏡からの白色光の反射スペクトルで補正した。【００７３】
図１５は、本発明の実施例に係るプラズモニック構造体のＳＥＭ像の一例を示す図である。即ち、図１５は、走査電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）を用いて撮影した画像を示している。図１５に示すナノディスク１０１の直径は８０ｎｍである。また、図１５に示すナノディスク１０１は３００ｎｍの周期（ピッチ）で配列されている。なお、図１５に示すスケールバーは、２００ｎｍを示す。【００７４】
本発明の実施例に係るナノディスクはアルミニウム製であるため、長期にわたる色耐性が期待される。実際、図１５に示すプラズモニック構造体は、少なくとも３ヶ月の間、退色の兆候が見られなかった。これは、すぐれた色耐性を発揮することを示している。【００７５】
［実施例１〜８］
図１６〜図２３は、実施例１〜８に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果を示す図である。実施例１〜８では、ナノディスク１０１の周期Ｐを３００ｎｍに設定した。また、実施例１では、ナノディスク１０１の直径ｄを８０ｎｍに設定した。実施例２では、ナノディスク１０１の直径ｄを１００ｎｍに設定した。実施例３では、ナノディスク１０１の直径ｄを１２０ｎｍに設定した。実施例４では、ナノディスク１０１の直径ｄを１４０ｎｍに設定した。実施例５では、ナノディスク１０１の直径ｄを１６０ｎｍに設定した。実施例６では、ナノディスク１０１の直径ｄを１８０ｎｍに設定した。実施例７では、ナノディスク１０１の直径ｄを２００ｎｍに設定した。実施例８では、ナノディスク１０１の直径ｄを２２０ｎｍに設定した。【００７６】
図１６〜図２３において、縦軸は反射率を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、実線は実験結果（測定値）を示し、破線はシミュレーション結果（シミュレーション値）を示す。具体的には、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）シミュレーションを実行した。また、図１６〜図２３において、三角マークは、反射スペクトルにおける反射率の深いくぼみの位置（共振波長）を示す。【００７７】
図１６〜図２３に示すように、可視波長領域において、反射スペクトルに単一のスペクトルピークを発生させることができた。また、ナノディスク１０１の直径ｄを変化させることによって、スペクトルピークの位置（波長）を変化させることができた。したがって、プラズモニック構造体（ナノディスクの配列構造）が生成する色相は、ナノディスク１０１の直径ｄに大きく依存した。なお、三角マークが示す位置（深いくぼみの位置）では、反射率は２５％未満となった。【００７８】
実験結果とシミュレーション結果とは定性的に一致していた。但し、実験結果では、小さなスペクトルのくぼみが、２つの深いくぼみの間で観測された。これらの小さなくぼみは、サンプルＳに対して斜めに入射した光に起因して発生したものと推察される。また、作製したナノディスク１０１の形状のばらつきと、アルミニウムの自然酸化膜層とに起因して、実験結果とシミュレーション結果との間に微小な差が発生したものと推察される。【００７９】
図２４はｐ偏光の入射角φを変化させて計算した反射率のシミュレーション結果（２次元反射度マップ）を示す図であり、図２５は、ｐ偏光の入射角φを示す図である。図２６は、ｓ偏光の入射角φを変化させて計算した反射率のシミュレーション結果（２次元反射度マップ）を示す図であり、図２７は、ｓ偏光の入射角φを示す図である。各シミュレーションでは、ナノディスク１０１の直径ｄを１４０ｎｍに設定し、周期Ｐを３００ｎｍに設定した。なお、図２５に示すように、本実施例のシミュレーションにおいて、ナノディスク１０１に対するｐ偏光の電場ベクトルＥの方向は、矢印ｋで示す光入射方向に垂直で、かつ、光入射面（紙面に平行な面）に平行な方向である。また、ナノディスク１０１に対するｐ偏光の磁場ベクトルＨの方向は、矢印ｋで示す光入射方向に垂直で、かつ、光入射面に垂直な方向である。一方、図２７に示すように、本実施例のシミュレーションにおいて、ナノディスク１０１に対するｓ偏光の電場ベクトルＥの方向は、矢印ｋで示す光入射方向に垂直で、かつ、光入射面（紙面に平行な面）に垂直な方向である。また、ナノディスク１０１に対するｓ偏光の磁場ベクトルＨの方向は、矢印ｋで示す光入射方向に垂直で、かつ、光入射面に平行な方向である。【００８０】
図２４及び図２６において、縦軸は入射角φ（°）を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、ハッチングで示す領域は、反射率が特に低いことを示している。換言すると、ハッチングで示す領域は、反射スペクトルにおいて反射率の深いくぼみが発生している領域である。【００８１】
図２４及び図２６に示すように、入射角φを０°から６０°まで変化させても、波長７１０ｎｍの光の反射率は低いままであった。また、図２４に示すように、ｐ偏光を入射した場合、入射角１０°以上において、波長４５０ｎｍから波長５６０ｎｍの範囲に反射率の低下（くぼみ）が現れた。このくぼみは、２次定在波共振が励起したために現れたものと推察される。一方、図２６に示すように、ｓ偏光は、２次定在波共振を励起できなかった。これは、ｓ偏光は入射角φがどの角度であっても対称電荷分布を誘発することができないためである。【００８２】
［実施例９〜１３］
図２８Ａは、実施例９〜１２に係るプラズモニック構造体の光学像を示す図である。即ち、光学顕微鏡を用いて観察した画像を示す。詳しくは、図２８Ａは、左から順に実施例９、１０、１１、１２のそれぞれの光学像を示す。実施例９〜１２では、ナノディスク１０１の直径を８０ｎｍに設定した。また、実施例９ではナノディスク１０１の周期Ｐを２６０ｎｍに設定し、実施例１０ではナノディスク１０１の周期Ｐを３００ｎｍに設定し、実施例１１ではナノディスク１０１の周期Ｐを３４０ｎｍに設定し、実施例１２ではナノディスク１０１の周期Ｐを３８０ｎｍに設定した。図２８Ａに示すように、周期Ｐが変化しても、色相は維持された。一方、周期Ｐが変化すると、色の明るさが徐々に変化した。【００８３】
図２８Ｂは、実施例９〜１２に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果（測定値）を示す図である。図２８Ｂにおいて、縦軸は反射率を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、縦軸に沿った破線は、反射率のくぼみの位置を示す。図２８Ｂに示すように、周期Ｐの変化が、反射率のくぼみの深さに若干の影響を与えた。換言すると、ナノディスク１０１の周期Ｐの変化は反射光の明るさに影響した。一方で、反射率のくぼみの位置は、周期Ｐの変化の影響を受けなかった。これは、ナノディスク１０１間の光学相互作用が非常に弱いことを示している。つまり、各ナノディスク１０１の光学共振特性が維持されることを示す。したがって、各ナノディスク１０１は、周期性依存のない単一の色素子として作用する。【００８４】
１つのナノディスク１０１が単一の色素子として作用することを実証するために、直径１００ｎｍのナノディスク１０１ｃと直径１８０ｎｍのナノディスク１０１ｄとを用いてカラーのチェッカーボードパターンを作製した。ナノディスク１０１（１０１ｃ、１０１ｄ）の周期Ｐは３００ｎｍとした。図２９Ａは、実施例１３に係るチェッカーボードパターンの光学像を示す図である。光学像の撮影には、１５０倍率、開口数０．９の解像度テスト用対物レンズを用いた。図２９Ｂは、実施例１３に係るチェッカーボードパターンのＳＥＭ像を示す図である。図２９Ｂは、図２９Ａにおいて破線で囲まれた領域を拡大して示している。【００８５】
図２９Ａに示すように、光学像でチェッカーボードパターンを明確に観察することができた。これは、ナノディスク１０１をサブ波長周期で配列した場合であっても、ナノディスク１０１ごとに色を生成できること示している。更に、回折限界光学顕微鏡を撮像に使用したことを考慮すると、ナノディスク１０１ごとに光学回折限界で色を生成できることを示している。これらの結果は、１つのナノディスク１０１が単一の色素子として作用することを示している。【００８６】
［実施例１４］
図３０は、実施例１４に係る２次元反射度マップを示す図である。詳しくは、図３０は、ナノディスク１０１の直径ｄを変化させて計算した反射率のシミュレーション結果を示している。具体的には、図３０に示す反射度マップは、ＲＣＷＡシミュレーションを用いて作製した。なお、ナノディスク１０１の周期Ｐは３００ｎｍに設定した。【００８７】
図３０において、縦軸はナノディスク１０１の直径ｄ（ｎｍ）を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、破線は、各直径ｄにおいて反射率が最小となる波長を示す。一方、円形マーク及び菱形マークは、破線に対応する測定値（実験結果）を示す。即ち、各直径ｄにおいて反射率が最小となる波長を測定した結果を示す。【００８８】
図３０は、暗い領域ほど（濃い領域ほど）、光の吸収が大きい（強い）ことを示している。換言すると、反射スペクトルにおいて反射率の落ち込み（ディップ）が発生していることを示している。図３０に示すように、２次元反射度マップは、黒い２つの帯を含む。黒い２つの帯は、可視波長領域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）において、特定の波長帯の光が吸収されたことを示している。また、実験結果はシミュレーション結果と一致した。【００８９】
図３１は、実施例１４に係る実験結果をＣＩＥ１９３１色度図にプロットした図である。この色度図ではＣＩＥ光源Ｄ６５を用いた。図３１は、ナノディスク１０１の周期Ｐを３００ｎｍに固定し、ナノディスク１０１の直径ｄを変えるだけで、飽和ＲＧＢ色を含む色彩が可能となることを示している。これは、回折限界の一定解像度での原色生成に有利である。更に、ナノディスク１０１が、ある微小領域の面積（例えば、０よりも大きく４００ｎｍ四方未満の面積）以上の光吸収断面積を有する場合、その微小領域内に互いに直径ｄが異なるナノディスク１０１を混在させることにより、混色が可能となり、色拡張を図ることが可能となることを示している。換言すると、互いに直径ｄが異なる２つ以上のナノディスク１０１を近接配置することにより、混色が可能となる。例えば、ある微小領域内（例えば、サブ波長ピクセル内、又は回折限界ピクセル内）に、互いに直径ｄが異なる２つ以上のナノディスク１０１を、その微小領域からはみ出さず、かつ互いに接しないように配置することにより、混色が可能となる。【００９０】
［実施例１５］
図３２Ａは、実施例１５に係る黒色ピクセル１２００のＳＥＭ像を示す図である。図３２Ａに示すように、実施例１５に係る黒色ピクセル１２００は、４つのナノディスク１０１を含む。具体的には、実施例１５では、２つの直径８０ｎｍのナノディスク１０１（第１ナノディスク２０１）と、直径１００ｎｍのナノディスク１０１（第２ナノディスク２０２）と、直径１２０ｎｍのナノディスク１０１（第３ナノディスク２０３）とを組み合わせて、黒色ピクセル１２００を作製した。黒色ピクセル１２００の大きさは、３００ｎｍ四方（３００ｎｍ×３００ｎｍ）である。図３２Ｂは、実施例１５に係る黒色ピクセル１２００の光学像を示す図である。光学像の撮影には、２０倍率、開口数０．４５の反射測定用対物レンズを用いた。図３２Ｂに示すように、黒系の色を生成することができた。【００９１】
図３３は、実施例１５に係る黒色ピクセル１２００の反射スペクトルの実験結果を示す図である。図３３において、縦軸は反射率を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、実線は実験結果（測定値）を示し、破線はシミュレーション結果を示している。矢印は、反射スペクトルにおける反射率のくぼみの位置（波長）を示している。【００９２】
図３３に示すように、６０％以上の吸収率を広いバンド幅にわたって得ることができた。換言すると、可視波長領域の反射率が全体的に低下した。具体的には、可視波長領域の各波長の反射率は４０％以下となった。また、可視波長領域の各波長の反射率が２０％以上４０％以下となり、可視波長領域における各波長の反射率の差が小さくなった。換言すると、可視波長領域の反射率スペクトルは略フラットになった。これは、黒色ピクセルに含まれる各ナノディスク１０１の直径ｄを制御することにより、可視波長領域における各波長の反射率の差を小さくして、黒系の色を生成できることを示している。【００９３】
測定した反射スペクトルは、シミュレーション結果と定量的に合致した。実験結果とシミュレーション結果との間に若干の差があるが、この差は、作製したナノディスク１０１の形状のばらつきと、実験に使用したナノディスク１０１とシミュレーションでのナノディスク１０１との大きさの差とに起因するものと推察される。更に、測定した反射スペクトルは、３つの反射率のくぼみを含む。これは、ナノディスク１０１間の間隔が狭くても各ナノディスク１０１の光学共振特性が維持されることを示す。【００９４】
黒色ピクセル１２００がサブ波長解像度を可能にしたことを実験で証明するために、２色（黒系の色と白色）のチェッカーボードパターンを作製した。図３４Ａは、実施例１５に係るチェッカーボードパターンの光学像を示す図である。光学像の撮影には、１５０倍率、開口数０．９の解像度テスト用対物レンズを用いた。図３４Ａに示すように、１つのピクセルによって回折限界の黒系の色を生成することができた。図３４Ｂは、実施例１５に係るチェッカーボードパターンのＳＥＭ像を示す図であり、図３４Ａにおいて破線で囲まれた領域を拡大して示している。図３４Ｂに示すように、実施例１５に係るチェッカーボードパターンは、黒色ピクセル１２００と、ナノディスク１０１が配置されていない白色ピクセル１２０１とを用いて作製した。黒色ピクセル１２００及び白色ピクセル１２０１の大きさはそれぞれ３００ｎｍ四方（３００ｎｍ×３００ｎｍ）である。【００９５】
［実施例１６］
図３５Ａは、実施例１６に係る記録媒体１３００の光学像を示す図である。光学像の撮影には、１５０倍率、開口数０．９の解像度テスト用対物レンズを用いた。実施例１６では、文字「Ｎ」、「ａ」、「ｎ」及び「ｏ」を記録（印刷）した。文字「Ｎ」は、黒色ピクセルを用いて描いた。文字「ａ」は、紫色ピクセル（ナノディスク１０１の直径ｄ＝１００ｎｍ）を用いて描いた。文字「ｎ」は、青色ピクセル（ナノディスク１０１の直径ｄ＝１２０ｎｍ）を用いて描いた。文字「ｏ」は、緑色ピクセル（ナノディスク１０１の直径ｄ＝１４０ｎｍ）を用いて描いた。各ピクセルの大きさは３００ｎｍ四方（３００ｎｍ×３００ｎｍ）である。なお、スケールバーの大きさは２μｍである。【００９６】
図３５Ｂは、実施例１６に係る記録媒体１３００の一部を拡大したＳＥＭ像を示す図である。具体的には、文字「Ｎ」を拡大して示している。図３５Ｃは、実施例１６に係る記録媒体１３００の他の一部を拡大したＳＥＭ像を示す図である。具体的には、文字「ａ」を拡大して示している。なお、図３５Ｂ及び図３５Ｃにおいて、スケールバーの大きさは５００ｎｍである。【００９７】
図３５Ａに示すように、回折限界解像度の顕微鏡カラー画像を作製することができた。換言すると、サブ波長カラー印刷を実現することができた。また、図３５Ａ及び図３５Ｃに示すように、１つのナノディスク１０１が１つの色素子として作用している。これは、カラープリントの直観的設計が可能となり、フルカラーサブ波長画像／文字の設計の自由度が向上することを示している。【００９８】
［実施例１７］
図３６Ａは、実施例１７に係るプラズモニック構造体のＳＥＭ像を示す図である。実施例１７では、直径８０ｎｍのナノディスク１０１を３００ｎｍの周期Ｐで配列した。図３６Ｂは、実施例１７に係るプラズモニック構造体の反射特性の偏光依存性を示す図である。詳しくは、偏光方向θｐｏｌが異なる光をプラズモニック構造体に入射して得られた反射スペクトルの測定値（実験結果）を示している。プラズモニック構造体に対する偏光方向θｐｏｌ（電場ベクトルＥの方向）は、図３６Ａの実線の矢印で示す方向である。【００９９】
実施例１７では、３つの偏光方向θｐｏｌ（０°、４５°、９０°）から光を入射した。図３６Ｂに示すように、３つの反射スペクトルは、ほぼ同一の形状となった。これは、ナノディスク１０１が、すべての入射偏光方向でほぼ同一の性能を発揮することを示している。このような特徴は、ＬＥＤや太陽光のようにランダムに偏光する光源の下での色生成に有用である。なお、３つの入射偏光方向の間で共振波長の位置に若干の差が生じたが、作製したナノディスク１０１の形状分布に起因するものと推察される。【０１００】
［実施例１８］
実施例１８では、直径８０ｎｍのナノディスク１０１を３００ｎｍの周期Ｐで配列した。また、プラズモニック構造体を透明誘電体によってコーティングした。具体的には、厚さ４００ｎｍの電子線レジストポリマー（日本ゼオン株式会社製のＺＥＰ５２０Ａ、可視波長領域における屈折率：１．５５以下）を使用した。図３７は、実施例１８に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルの実験結果（測定値）を示す図である。図３７において、縦軸は反射率を示し、横軸は光波長（ｎｍ）を示す。また、実線は、実施例１８に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルを示す。一方、破線は、比較例に係るプラズモニック構造体の反射スペクトルを示す。比較例は、ポリマーによってコーティングされていないことのみが、実施例１８と異なる。【０１０１】
図３７に示すように、プラズモニック構造体を誘電体（保護層の一例）によって被覆すると、反射スペクトルにおける反射率のくぼみの位置が赤外領域側へシフトした。これは、誘電体の被覆が、プラズモニック構造体の色相に影響を与えていることを示す。したがって、保護層を使用する場合は、ナノディスク１０１の直径を再設計することにより、特定の色を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、サブ波長解像度のカラー画像を形成することができ、セキュリティーのためのミクロスケール画像の形成、高密度光学データ記憶、及びナノスケール光学素子において有用である。
【符号の説明】
【０１０３】
１００      プラズモニック構造体
１０１      ナノディスク
１０２      誘電体層
１０３      基層
１０４      反射面
１０６      界面
１０７      保護層
【図１】
2017135430.tif 000003
【図２】
2017135430.tif 000004
【図３】
2017135430.tif 000005
【図４Ａ】
2017135430.tif 000006
【図４Ｂ】
2017135430.tif 000007
【図５Ａ】
2017135430.tif 000008
【図５Ｂ】
2017135430.tif 000009
【図５Ｃ】
2017135430.tif 000010
【図５Ｄ】
2017135430.tif 000011
【図６Ａ】
2017135430.tif 000012
【図６Ｂ】
2017135430.tif 000013
【図７】
2017135430.tif 000014
【図８】
2017135430.tif 000015
【図９】
2017135430.tif 000016
【図１０】
2017135430.tif 000017
【図１１】
2017135430.tif 000018
【図１２Ａ】
2017135430.tif 000019
【図１２Ｂ】
2017135430.tif 000020
【図１２Ｃ】
2017135430.tif 000021
【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2017135430.tif 000030
【図２１】
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【図２２】
2017135430.tif 000032
【図２３】
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【図２４】
2017135430.tif 000034
【図２５】
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【図２６】
2017135430.tif 000036
【図２７】
2017135430.tif 000037
【図２８Ａ】
2017135430.tif 000038
【図２８Ｂ】
2017135430.tif 000039
【図２９Ａ】
2017135430.tif 000040
【図２９Ｂ】
2017135430.tif 000041
【図３０】
2017135430.tif 000042
【図３１】
2017135430.tif 000043
【図３２Ａ】
2017135430.tif 000044
【図３２Ｂ】
2017135430.tif 000045
【図３３】
2017135430.tif 000046
【図３４Ａ】
2017135430.tif 000047
【図３４Ｂ】
2017135430.tif 000048
【図３５Ａ】
2017135430.tif 000049
【図３５Ｂ】
2017135430.tif 000050
【図３５Ｃ】
2017135430.tif 000051
【図３６Ａ】
2017135430.tif 000052
【図３６Ｂ】
2017135430.tif 000053
【図３７】
2017135430.tif 000054
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月29日(2018.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面と、
前記反射面上に積層された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された少なくとも１つの突起と
を備え、
前記突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴を誘起させ、特定の波長帯の光が前記界面においてプラズモン吸収されるように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されており、
前記誘電体層は、前記少なくとも１つの突起の設けられる表面プラズモン共鳴領域と、前記少なくとも１つの突起の設けられない非表面プラズモン共鳴領域とを有する、プラズモニック構造体。
【請求項２】
前記誘電体層は、平坦な主面を有し、
前記少なくとも１つの突起は、前記誘電体層の前記主面の一部の領域の上に配置される、請求項１に記載のプラズモニック構造体。
【請求項３】
前記誘電体層との間で前記反射面を形成する基層をさらに備え、
前記基層は、前記誘電体層の配置される平坦な主面を有する、請求項１又は請求項２に記載のプラズモニック構造体。
【請求項４】
可視光領域の反射スペクトルにおいて特定の波長帯の反射率が落ち込むように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項５】
前記突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の突起を含み、
前記複数種類の突起の各々と前記誘電体層との各界面において、前記各界面の大きさに応じた特定の波長帯の光がプラズモン吸収される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項６】
前記反射面及び前記突起はそれぞれ金属を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項７】
金属反射層と、
前記金属反射層上に積層された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された少なくとも１つの金属突起と
を備え、
前記金属突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴が誘起されて、特定の色が発生し、
前記誘電体層は、前記少なくとも１つの金属突起の設けられる表面プラズモン共鳴領域と、前記少なくとも１つの金属突起の設けられない非表面プラズモン共鳴領域とを有する、カラー生成構造体。
【請求項８】
前記誘電体層は、平坦な主面を有し、
前記少なくとも１つの金属突起は、前記誘電体層の前記主面の一部の領域の上に配置される、請求項７に記載のカラー生成構造体。
【請求項９】
前記金属反射層は、前記誘電体層の配置される平坦な主面を有する、請求項７又は請求項８に記載のカラー生成構造体。
【請求項１０】
前記金属突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の金属突起を含む、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のカラー生成構造体。
【請求項１１】
前記複数種類の金属突起により、互いに異なる色が発生する、請求項１０に記載のカラー生成構造体。
【請求項１２】
前記複数種類の金属突起は近接して配置され、
前記複数種類の金属突起により、黒系の色が発生する、請求項１０に記載のカラー生成構造体。
【請求項１３】
前記複数種類の金属突起は近接して配置され、
前記複数種類の金属突起により、混色が発生する、請求項１０に記載のカラー生成構造体。
【請求項１４】
前記複数種類の金属突起は、０よりも大きく４００ｎｍ四方未満の面積を有する領域内に配置される、請求項１２又は請求項１３に記載のカラー生成構造体。
【請求項１５】
請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載のカラー生成構造体を含む、記録媒体。
【請求項１６】
前記金属突起を保護する保護層を更に備える、請求項１５に記載の記録媒体。
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月27日(2018.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面と、
前記反射面上に積層された誘電体層と、
前記誘電体層のうちの前記反射面とは異なる側に積層された少なくとも１つの突起と
を備え、
前記突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴を誘起させ、特定の波長帯の光が前記界面においてプラズモン吸収されるように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されており、
前記誘電体層は、前記少なくとも１つの突起の設けられる表面プラズモン共鳴領域と、前記少なくとも１つの突起の設けられない非表面プラズモン共鳴領域とを有し、
前記少なくとも１つの突起の直径は、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記表面プラズモン共鳴領域は前記非表面プラズモン共鳴領域に囲まれる、プラズモニック構造体。
【請求項２】
前記誘電体層は、平坦な主面を有し、
前記少なくとも１つの突起は、前記誘電体層の前記主面の一部の領域の上に配置される、請求項１に記載のプラズモニック構造体。
【請求項３】
前記誘電体層との間で前記反射面を形成する基層をさらに備え、
前記基層は、前記誘電体層の配置される平坦な主面を有する、請求項１又は請求項２に記載のプラズモニック構造体。
【請求項４】
可視光領域の反射スペクトルにおいて特定の波長帯の反射率が落ち込むように、前記反射面、前記誘電体層及び前記突起の材質、前記誘電体層の厚み、前記突起の高さ及び形状、並びに、前記界面の大きさが制御されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項５】
前記突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の突起を含み、
前記複数種類の突起の各々と前記誘電体層との各界面において、前記各界面の大きさに応じた特定の波長帯の光がプラズモン吸収される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項６】
前記反射面及び前記突起はそれぞれ金属を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズモニック構造体。
【請求項７】
金属反射層と、
前記金属反射層上に積層された誘電体層と、
前記誘電体層のうちの前記金属反射層とは異なる側に積層された少なくとも１つの金属突起と
を備え、
前記金属突起と前記誘電体層との界面に表面プラズモン共鳴が誘起されて、特定の色が発生し、
前記誘電体層は、前記少なくとも１つの金属突起の設けられる表面プラズモン共鳴領域と、前記少なくとも１つの金属突起の設けられない非表面プラズモン共鳴領域とを有し、
前記少なくとも１つの金属突起の直径は、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記表面プラズモン共鳴領域は前記非表面プラズモン共鳴領域に囲まれる、カラー生成構造体。
【請求項８】
前記誘電体層は、平坦な主面を有し、
前記少なくとも１つの金属突起は、前記誘電体層の前記主面の一部の領域の上に配置される、請求項７に記載のカラー生成構造体。
【請求項９】
前記金属反射層は、前記誘電体層の配置される平坦な主面を有する、請求項７又は請求項８に記載のカラー生成構造体。
【請求項１０】
前記金属突起は、前記誘電体層との界面の大きさがそれぞれ異なる複数種類の金属突起を含む、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のカラー生成構造体。
【請求項１１】
前記複数種類の金属突起により、互いに異なる色が発生する、請求項１０に記載のカラー生成構造体。
【請求項１２】
前記複数種類の金属突起は近接して配置され、
前記複数種類の金属突起により、黒系の色が発生する、請求項１０に記載のカラー生成構造体。
【請求項１３】
前記複数種類の金属突起は近接して配置され、
前記複数種類の金属突起により、混色が発生する、請求項１０に記載のカラー生成構造体。
【請求項１４】
前記複数種類の金属突起は、０よりも大きく４００ｎｍ四方未満の面積を有する領域内に配置される、請求項１２又は請求項１３に記載のカラー生成構造体。
【請求項１５】
請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載のカラー生成構造体を含む、記録媒体。
【請求項１６】
前記金属突起を保護する保護層を更に備える、請求項１５に記載の記録媒体。
【国際調査報告】
2017135430.tif 000055
2017135430.tif 000056
2017135430.tif 000057
2017135430.tif 000058