(57)【要約】【課題】高い光利用効率で記録密度を向上させることのできる光記録再生方法を提供し、該光記録再生方法を用いた光記録媒体を提供する。【解決手段】基板１１上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体１２を複数有し、該金属構造体１２が記録膜１３で被覆されてなる光記録媒体１０に前記金属構造体１２内でプラズモン共鳴を生じる周波数をもつ光Ｌを照射して、前記金属構造体１２近傍の記録膜１３領域で情報の記録再生を行う。【選択図】図１
2006172613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆されてなる光記録媒体に前記金属構造体内でプラズモン共鳴を生じる周波数の光を照射して、前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生を行うことを特徴とする光記録再生方法。
【請求項２】
前記金属構造体を構成する金属材料、前記金属構造体のサイズ、前記記録膜を構成する材料のうち、すくなくとも１つを調整することにより、前記金属構造体内でプラズモン共鳴を生じる周波数を選択することを特徴とする請求項１に記載の光記録再生方法。
【請求項３】
前記記録膜の構成材料をヒートモード方式の記録材料とし、前記プラズモン共鳴で発生する金属構造体近傍の熱エネルギーにより前記記録膜領域に情報の記録を行うことを特徴とする請求項１に記載の光記録再生方法。
【請求項４】
前記金属構造体内でプラズモン共鳴を生じる周波数を外れた周波数の光を照射することにより、同一の金属構造体近傍であっても前記金属構造体内の共鳴周波数の光を照射した場合と異なる記録膜領域で情報の記録再生を行うことを特徴とする請求項１に記載の光記録再生方法。
【請求項５】
基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆され、請求項１〜４のいずれか一に記載の光記録再生方法で前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生が行われる光記録媒体であって、
前記金属構造体は円筒形状または非等方的な形状であることを特徴とする光記録媒体。
【請求項６】
基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆され、請求項１〜４のいずれか一に記載の光記録再生方法で前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生が行われる光記録媒体であって、
前記金属構造体は基板上に周期的に配列されていることを特徴とする光記録媒体。
【請求項７】
基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆され、請求項１〜４のいずれか一に記載の光記録再生方法で前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生が行われる光記録媒体であって、
前記基板は、前記記録膜との境界面における反射率が高くなる光学特性をもつ材料により構成されることを特徴とする光記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズモンを用いた超高密度記録が可能な光記録再生方法及び光記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高密度で高容量の記録媒体および記録再生方法が求められている。とりわけ、光を用いた記録・再生について種々検討が行われており、例えば、次のような技術や知見が提供されている。
【０００３】
（１）従来技術１
近接場光を効率よく用いて回折限界を越えた高密度記録が可能な光記録媒体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
図１４に光記録媒体の拡大断面図に示す、光透過性の基板９０２上に、第１の誘電体膜９０４、結晶−アモルファス変化を起す記録膜９０６、第２の誘電体膜９０８、反射膜９１０及び保護膜９１２の順に積層されてなる書き換え可能な光記録媒体において、反射膜９１０は、図１４の反射膜の模式図に示すように、誘電体９１０Ａ中に金属微粒子９１０Ｂを分散してなる膜よりなる。これにより、金属微粒子と同等のサイズの記録マークに対して近接場光を効率よく用いることができ、回折限界を越えた高密度記録再生を可能とする。
【０００４】
上記従来技術１は、記録マーク程度の金属微粒子を分散させた誘電体膜を記録膜の前面に配置し、記録マークをレーザー光で照射することにより発生する記録マーク近傍に局在する電磁場である近接場光が、記録マークのサイズと同程度の場合に効率よく散乱が生じることを利用して、微小な記録パターンを再生することを提案している。ここで、入射するレーザー光の周波数については言及しておらず、光の周波数に依存した金属微粒子の散乱、吸収効率が問題となり、高い光利用効率を得ることができない。これは、微小な記録マークの書き込みにおける光強度や、記録マークの微小化にともなう再生信号の光強度が低下することから大きな問題である。また、使用する光の波長が制限されることや、従来使用されているレーザー光源や検出器などの光記録再生装置技術が利用できないなどの課題がある。さらに、本発明で利用する局在表面プラズモンによる電場増強効果を利用するものではないので、金属による吸収の効果で光エネルギーが減衰し、再生信号のコントラストを高くすることはできない。また、孤立した１つの金属微小球のみが近接場光を散乱させるプローブとして働くことはないので、記録再生ともに光の照射スポットが広がり、記録再生密度の高密度化が実現されていない。
【０００５】
（２）従来技術２
記録密度の向上を図った場合でも、高感度に記録および再生を行うことが可能な光記録再生方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
図１５において、光学的に情報を記録可能であると共に、金属微小球を分散させたプラズモン励起部も備えた光ディスク８１４の記録層８１４ａに対して、レーザビーム８１１を集光レンズ８１２とＳＩＬ８１３（Solid Immersion Lens）とを介して照射する。ＳＩＬ８１３は、集光レンズ８１２からのレーザビーム８１１の波長を、空気中を伝搬するときより小さくして記録層８１４ａに到達させる。ＳＩＬ８１３からの到達光により記録層８１４ａにプラズモン励起させ、このプラズモンによって生じる、通常の近接場光（電磁場）の数十倍〜数百倍の強度の近接場光により情報の記録および再生を行う。
【０００６】
上記従来技術２は、高い屈折率をもつＳＩＬから染み出す近接場光を利用して、光の回折限界以下のマークを記録再生している。ここで、ＳＩＬを使う限りにおいては、レーザー光のスポットサイズは光の波長ならびにＳＩＬの屈折率に依存しており、大幅な記録密度の向上は期待できない。また、弱い近接場光の強度を増強させるために、本発明と類似する金属微粒子を分散させた記録膜を利用しているが、電子の集団運動であるプラズモンが共鳴する周波数（プラズモン共鳴が生じる周波数）が金属微粒子を構成する材料、サイズ、形状、記録媒質の材料に依存することにより、サイズや位置のランダムな分布をもつ金属微粒子を分散させる方法では、本発明よりも高い光利用効率は実現できない。また、金属微粒子の分布状態による熱の拡散に起因した記録マークの広がりや、記録マーク形状の不均一さが生じる可能性がある。
【０００７】
（３）従来技術３
レーザスポットサイズよりも小さい記録マーク列の形成と読み出しを可能とし、記録密度を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
図１６において、光記録媒体における記録膜７０４の光入射側に超解像再生膜７０２、光入射側とは反対側に金属微粒子を分散させた超解像記録膜７０５を設けることにより、金属微粒子により生じる局在プラズモンの電場増強の効果で光透過率が変化し、超解像再生膜７０２および超解像記録膜７０５にレーザスポットよりも微小な開口が形成され、記録密度が可能となる。
【０００８】
上記従来技術３は、誘電体中に金属を分散した構成の超解像記録膜および超解像再生膜において、プラズモン共鳴周波数付近の光による３次の非線形感受率が極めて大きくなり、その結果生じる大きな屈折率変化により、超解像記録膜および超解像再生膜に微小な開口が形成され、微小領域の光記録再生が可能となり、超高密度記録再生を可能としているが、これは微小な開口を効率よく形成するためにプラズモンの電界の増強効果を利用したものであり、光記録媒体自身の高効率化を図ったものではない。また、非線形効果の増大による速い熱応答を実現しているが、熱的な不安定性による、開口サイズのばらつきや、それにともなう信号再生のコントラストの低下が生じる可能性がある。
【０００９】
また、従来技術１〜３は全て、金属微粒子をランダムに分散させた構成をしており、本発明のように規則的に配列した金属構造体を利用した情報の多重化記録を行うことはできない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１３３７２０号公報
【特許文献２】特開２００１−０６７６６８号公報
【特許文献３】特開２００１−１０１７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、高い光利用効率で記録密度を向上させることのできる光記録再生方法を提供し、該光記録再生方法を用いた光記録媒体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】
【００１２】
前記課題を解決するために提供する本発明は、基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆されてなる光記録媒体に前記金属構造体内でプラズモン共鳴を生じる周波数の光を照射して、前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生を行うことを特徴とする光記録再生方法である（請求項１）。
【００１３】
ここで、前記金属構造体を構成する金属材料、前記金属構造体のサイズ、前記記録膜を構成する材料のうち、すくなくとも１つを調整することにより、前記金属構造体内でプラズモン共鳴を生じる周波数を選択することが好ましい。
【００１４】
また、前記記録膜の構成材料をヒートモード方式の記録材料とし、前記プラズモン共鳴で発生する金属構造体近傍の熱エネルギーにより前記記録膜領域に情報の記録を行うことが好適である。
【００１５】
また、前記金属構造体内でプラズモン共鳴を生じる周波数を外れた周波数の光を照射することにより、同一の金属構造体近傍であっても前記金属構造体内の共鳴周波数の光を照射した場合と異なる記録膜領域で情報の記録再生を行うことが好ましい。
【００１６】
また、前記課題を解決するために提供する本発明は、基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆され、請求項１〜４のいずれか一に記載の光記録再生方法で前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生が行われる光記録媒体であって、前記金属構造体は円筒形状または非等方的な形状であることを特徴とする光記録媒体である（請求項５）。
【００１７】
また、前記課題を解決するために提供する本発明は、基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆され、請求項１〜４のいずれか一に記載の光記録再生方法で前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生が行われる光記録媒体であって、前記金属構造体は基板上に周期的に配列されていることを特徴とする光記録媒体である（請求項６）。
【００１８】
また、前記課題を解決するために提供する本発明は、基板上にサイズが照射光の波長以下の微細な金属構造体を複数有し、該金属構造体が記録膜で被覆され、請求項１〜４のいずれか一に記載の光記録再生方法で前記金属構造体近傍の記録膜領域で情報の記録再生が行われる光記録媒体であって、前記基板は、前記記録膜との境界面における反射率が高くなる光学特性をもつ材料により構成されることを特徴とする光記録媒体である（請求項７）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の効果として、請求項１の発明によれば、金属構造体にプラズモン共鳴が生じる周波数の近接場光を照射することにより、該金属構造体の近傍に強い電界を集中させることができるため、高い光利用効率で情報の記録再生を行うことが可能である。そのため、高効率、高感度の光記録再生技術に利用可能である。
請求項２の発明によれば、情報の記録再生のために所望する光の波長に対し、その光がプラズモン共鳴が生じる周波数となるように前記記録膜として最適な材料を選択することにより、前記金属構造体の近傍に強い電界を集中させることができるため、高い光利用効率で情報の記録再生を行うことを可能とし、また、短波長の光を共鳴周波数の光として利用することを可能としている。これにより、高い光利用効率で、かつ記録密度の向上を実現できる。また、金属構造体を構成する材料により、プラズモン共鳴が生じる光の周波数を調整できることから、所望する周波数の光を情報の記録再生に利用でき、高い光利用効率で情報の記録再生を行うことが可能である。さらに、前記金属構造体のサイズにより、プラズモン共鳴が生じる光の周波数を調整できることから、所望する周波数の光を情報の記録再生に利用でき、高い光利用効率で情報の記録再生を行うことを可能とし、また、短波長の光をプラズモン共鳴が生じる周波数の光として利用できることから、高い光利用効率で、かつ高記録密度を実現できる。
請求項３の発明によれば、金属構造体でプラズモン共鳴が生じる周波数の光により前記金属構造体近傍に集中する電界が生じ、前記金属構造体中の電子の運動によるジュール熱を介して、局所領域への記録が可能となり、安定な記録マークの形成、ならびに記録密度の向上を実現できる。
請求項４の発明によれば、金属構造体でプラズモン共鳴が生じる周波数の近接場光またはプラズモン共鳴が生じる周波数から外れた周波数の近接場光を照射することにより、記録再生領域および記録再生感度を変化させているので、情報の多重化が可能となり、記録密度の向上を実現できる。そのため、多重化記録再生技術、高密度記録再生技術に利用可能である。
請求項５の発明によれば、金属構造体が円筒形状または非等方的な形状であることにより、電界または熱エネルギーが局所的な領域に制限されることから、安定な記録マークの形成、ならびに記録密度の向上を実現できる。
請求項６の発明によれば、記録密度の向上を実現できる。とくに金属構造体が周期的に配列されていることにより、前記金属構造体でプラズモン共鳴が生じる周波数の近接場光とプラズモン共鳴が生ずる周波数から外れた周波数の近接場光による記録再生状態を区別することができ、光の周波数による情報の多重化が可能となり、記録密度の向上を実現できる。
請求項７の発明によれば、基板が前記記録膜との境界面における反射率が高くなるような光学特性をもつ材料により構成されているので、前記金属構造体との相互作用効率の頻度が高くなり、高い光利用効率で情報の記録再生を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る光記録再生方法及び光記録媒体について説明する。
（１）本発明の第１の実施の形態
本発明の第一の実施の形態を図１〜４に基づいて説明する。
図１は本発明による光記録媒体および光記録再生方法を説明する模式図である。本実施の形態の光記録媒体１０は、図１に示されるように、基板１１、照射されるレーザ光Ｌの波長以下の金属構造体１２、金属構造体１２を被覆する記録膜１３による積層構造を有する。
【００２１】
基板１１は、従来の光記録媒体に広く使用されている材料を用いればよく、例えばポリカーボネートが挙げられる。
【００２２】
金属構造体１２は、導電性を有する材料からなる。その材料は照射される光との共鳴現象を利用するため、可視光領域の光の周波数において局在表面プラズモンによる金属構造体１２の共鳴現象を生じさせる材料が適している。ここで局在表面プラズモンとは、光の波長に比べ十分に小さな金属微細構造体中の電子が、共鳴する周波数の光を照射されることにより生じる集団振動であり、金属表面に垂直な電界をもつＴＭ偏光の電磁場をともなう（参考文献１：「光ナノテクノロジーの基礎」、福井、大津著（２００３年、オーム社）ｐ．９１）。この電磁場は、通常の誘電体材料に比べ、数十から数百倍もの極めて大きな電界をもつことが知られている。局在表面プラズモンによる共鳴現象を生じさせる金属材料としては、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｓｎ，Ｐｄ，Ｉｒなどが利用できる。
【００２３】
また、金属構造体１２は、光の回折限界よりも十分に小さく、且つすべての金属構造体１２がある程度揃ったサイズ（外形寸法）を有することが条件となる。しかし、金属構造体１２がある程度小さくなると、局在表面プラズモンの共鳴周波数（プラズモン共鳴が生じる周波数）に対するサイズ依存性が緩やかになり、約１０ｎｍ以下のサイズの金属微粒子ではサイズによる共鳴周波数の差異は顕著には表れなくなる。
【００２４】
金属構造体１２の形状は、すべての金属構造体１２の形状が同一であれば、球体、円筒、半球など、どのような形状でも構わない。また、金属構造体１２の外形（レーザ光Ｌ照射側から見た場合の形状）は、円形、四角形、三角形のいずれでもよい。このような金属構造体１２の作製は、多様な方法で実現できる。例えば、ナノサイズにパターン化された原盤（モールド）によるパターン転写を行うナノインプリント技術や、光リソグラフィ技術によるエッチングプロセスを利用する方法、電子ビーム描画装置による直接描画、集光イオンビーム描画装置を用いた加工法、自己組織化による粒子配列、スパッタ装置を用いた自己形成的な微粒子作製方法により作製する。
【００２５】
記録膜１３は、従来の光記録媒体に広く使用されている材料を用いればよい。例えばＧｅＳｂＴｅやＡｇＩｎＳｂＴｅのような熱によって結晶相からアモルファス相へまたはその逆へ変化する相変化材料や、シアニン系、アゾ系やフタロシアニン系などの熱的な変性をともなう有機色素材料のようなヒートモード方式の記録材料、フォトクロミック分子のような光による屈折率変化をともなうフォトンモード方式の記録材料など上げられるが、本発明では屈折率を広く選択できる有機色素材料が適している。
【００２６】
光記録媒体１０を用いた情報の記録ならびに再生は、この光記録媒体１０中の個々の金属構造体１２近傍に生じる近接場光を用いて行う。近接場光を利用する必要があるのは、微小な領域に隣接する金属構造体１２に独立に光エネルギーを供給するためである。近接場光は一般的に光強度が極めて弱いが、本発明で利用する金属構造体１２による局在表面プラズモンを介在させることにより、数十から数百倍の電界の増強を起すことができ、高い光利用効率を得ることができる。
【００２７】
近接場光を発生させるためには、幾つかの方法がある。図１は、照射する光の波長以下の微小な開口を光記録媒体の上方に数ｎｍ〜数十ｎｍに近接するようにプローブ６０を配置し、その開口近傍に近接場光を発生させる構成を示している。このような微小開口を有するプローブ６０は、ＳｉやＳｉＯ２をエッチング処理した誘電体６２からなり、光記録媒体への伝搬光の照射を防ぐため、該誘電体６２にＡｌやＡｕなどの金属皮膜６３が形成されている。
【００２８】
近接場光を発生させる別の方法としては、図２に示す超解像膜を利用する方法がある。超解像膜２４とは、対物レンズ７１で集光された光、または光による加熱によって屈折率および消衰係数の変化を生じる材料により構成される膜であり、結果として光の回折限界以下の微小な開口が集光点に形成され、開口近傍に近接場光を発生する。超解像膜として機能する材料としては、Ｓｂ，ＩｎＳｂ，ＡｇＩｎＳｂＴｅなどが周知である。
【００２９】
次に図３に基づいて、金属構造体１２における局在表面プラズモンによる局所的な電界の増強について説明する。図３は、微小な金属球に平面波を照射した場合の光の波長に対する応答を、電磁界の波動方程式（Ｍａｘｗｅｌｌ方程式）を球の境界条件に対して厳密に解いたＭｉｅ理論の計算結果を示したものである。縦軸は球の中心（金属内部）における電界強度であり、金属中の電子の集団運動（振動運動）であるプラズモンの振動強度を表している。各曲線は半径ｒの金属球に対する計算結果を示している。
【００３０】
強度がピークをもつ波長（周波数）が局在表面プラズモンの共鳴周波数であり、図３に示すように、例えば半径２５ｎｍのＡｕ金属の場合では波長５００ｎｍ近傍にプラズモンの共鳴ピークが現れることが確認できる。また、Ｍｉｅ理論により得られる電界強度のｋｒ（波数×半径）→０の漸近値を求めると、球のサイズが小さくなるに従い、ピーク位置が高エネルギー側にシフトし、ω＝ωｐ／√３に収束することが分かった。ここで、ωｐはプラズマ周波数と呼ばれ、巨視的な固体の金属における電子の共鳴周波数を表している。この漸近曲線は、図中に点線により示した。周波数の収束値ωｐ／√３は、金属球と周囲の媒質による比誘電率がε＝−２となる条件と等価であり、このような条件の場合に金属球の局在表面プラズモンが最大の効率で励起され、それにともない金属球の近傍に生じる電界強度が増強される。
【００３１】
次に、上述のように金属構造体１２とそれを被覆する記録膜１３の材料を最適化した計算例を、図４に基づき説明する。図４は、空気中に配置されたＡｇ金属球に平面波を照射した場合（Ａｇ／Ａｉｒ）のＭｉｅ理論により得られた球中心における電界強度と、屈折率１．３３、消衰係数０．０７３をもつフタロシアニン系有機色素材料中に配置されたＡｇ金属球に平面波を照射した場合（Ａｇ／Ｄｙｅ）の球中心における電界強度の計算結果とを比較した図であり、ｋｒ（波数×半径）→０の漸近曲線をプロットした。有機色素材料でＡｇ金属球を被覆した場合には、局在表面プラズモンの共鳴周波数である波長３９０ｎｍ近傍において、およそ１５０倍程度の電場強度の増強が得られることが確認できた。このように、金属構造体１２を構成する金属材料と、周囲を被覆する記録膜１３の材料を最適に調整することにより、請求項１、２の目的とする、高い光利用効率での情報の記録再生ができる。
【００３２】
（２）本発明の第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態を図３〜図５に基づいて説明する。第１の実施の形態では、近接場光の高い空間分解能を利用して高密度の記録再生を行っていたが、本実施例によれば本発明による光記録媒体を従来のＢｌｕ−ｒａｙディスクやＳＩＬを用いた微小マークの記録再生にも利用できる。
【００３３】
図５は、ＳＩＬを用いた記録再生方法を示す概念図である。光記録媒体１０の構成は、図１の光記録媒体と同様であり、基板１１、照射されるレーザー光Ｌの波長以下の金属構造体１２、金属構造体１２を被覆する記録膜１３による積層構造を有しており、基板１１ならびに金属構造体１２を構成する材料に関しても、第１の実施の形態と同じく様々な材料が利用できる。例えば、ポリカーボネートを基板１１に用い、有機色素材料を記録膜１３に用いることなどが適当である。記録再生に用いるレーザー光Ｌの波長は、微小なマークの記録再生を行うために、より短波長化する必要があり、現在は波長が４００ｎｍ程度の青色半導体レーザーが利用されている。このようなレーザー光を利用するために、第一の実施の形態で説明した、金属構造体１２による局在表面プラズモンの共鳴周波数を、以下に示すような方法で、使用するレーザー光の周波数に調整する。
【００３４】
金属構造体１２による局在表面プラズモンの共鳴周波数と使用するレーザー光Ｌの周波数を一致させるために、第一に、金属構造体１２を構成する金属材料に最適なものを選択する。図３と図４のＭｉｅ理論による電界強度の計算結果を比較すると分かるように、Ａｇ金属球はＡｕ金属球よりも短波長側に局在表面プラズモンの共鳴周波数をもち、図４から分かるように、空気中では波長３２０ｎｍ近傍の光の周波数に対して共鳴する。ここで、用いる金属材料は、現在利用される青色半導体レーザーの波長が４００ｎｍ程度であるので、この波長よりも短波長側に局在プラズモンの共鳴周波数をもつＡｇを用いた。
【００３５】
第二に、被覆する記録膜１３の材料の選択であるが、局在表面プラズモンの共鳴周波数を低周波側にシフトさせ、波長４００ｎｍ近傍に局在表面プラズモンの共鳴周波数が一致するように、すなわちこの光の周波数付近で共鳴条件ε＝−２（εは金属構造体１２と記録膜１３との比誘電率）が満たされるように、金属微粒子よりも誘電率の大きな記録膜材料として、Ａｇ金属球に最適な光学定数をもつフタロシアニン系有機色素材料（屈折率１．３３、消衰係数０．０７３）を用いた。
【００３６】
図４の符号Ａｇ／Ｄｙｅの曲線が、上記の材料を用い、Ｍｉｅ理論から電場強度を計算した結果であり、所望する波長４００ｎｍ近傍において局在表面プラズモンとの共鳴が生じることを確認した。このようにして、金属構造体１２の金属材料と、金属構造体１２を被覆する記録膜１３の材料を最適に調整することにより、共鳴周波数の調整ができ、この結果、短波長化にともなう記録密度の向上と、その光波長での光利用効率の向上を実現した、情報の記録再生ができる。
【００３７】
（３）本発明の第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態を図６に基づいて説明する。第２の実施の形態と同様に、金属構造体１２による局在表面プラズモンの共鳴周波数を記録再生のためのレーザー周波数に調整する別の方法として、金属構造体１２のサイズを変化させ、局在プラズモンの共鳴周波数をシフトさせることができる。
【００３８】
本実施例の光記録媒体は、第１及び第２の実施の形態と同一の構成（図１の構成）により実現できる。ここで、金属構造体１２のサイズに対する依存性を図６に基づいて説明する。図６は、第２の実施の形態と同様のＡｇ金属球をフタロシアニン系の有機色素材料で被覆したモデルに対して、球の半径を変化させた場合の、Ｍｉｅ理論により計算された球中心における電界強度を示した図である。Ａｇ球の半径の増加、すなわち体積の増加にともなう、電界強度の増大に加え、局在表面プラズモンの共鳴する周波数が、長波長側、すなわち低周波数側にシフトすることを確認した。この周波数シフトの大きさは、無限小のサイズの場合に対し約３０ｎｍ程度であった。このように、金属構造体１２の金属材料と記録膜１３の材料の選択に加え、金属構造体１２のサイズを変化させることにより、記録再生を行うレーザー光Ｌの周波数に局在表面プラズモンの共鳴周波数を調整することができ、短波長化にともなう記録密度の向上と、その光波長での光利用効率の向上を実現した、情報の記録再生ができる。
【００３９】
（４）本発明の第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態を図７、図８に基づいて説明する。本実施例の光記録媒体の構成は第１の実施の形態と同様の構成を有する。ただし、金属構造体１２の形状が円筒形状、または非等方的な形状を有している。このような非等方的な形状をもつ金属微細構造体に共鳴する周波数の光を照射すると、形状に依存した強い電界の集中が起こる。また、記録膜１３はヒートモード方式の光記録材料からなる。
【００４０】
本発明の効果を、数値シミュレーション結果に基づいて説明する。数値シミュレーションは、電磁界の微分方程式を差分方程式に近似し、数値解を得るＦＤＴＤ法（有限時間領域差分法）に基づいたものである。図７は、真空中に円筒形状（半径２５ｎｍ、高さ４０ｎｍ）のＡｕ金属構造体が最密充填構造をもって配置されたモデルに対する、計算結果である。ここで、波長と同じサイズ（５００ｎｍ）の幅をもつガウスビームを紙面に垂直な方向から照射し、定常状態に達した際のＡｕ金属構造体の直上面における電界強度と、光記録媒体の断面方向における電界強度の二次元空間分布をプロットしている。本シミュレーションにより、円筒形状の金属微細構造体の真上に強い電界が生じ、光エネルギーが局所集中することを確認した。この局所的に強い電界が金属構造体中の電子の運動を引き起こし、ジュール熱に変換されるため、記録膜１３を構成するヒートモード方式の光記録材料では、局所的な加熱が生じ、金属構造体１２のサイズに依存した微小なマークの記録が可能である。
【００４１】
実際には、金属構造体を被覆する記録膜材料や基板の熱伝導率の大きさに依存した熱の拡散により、記録マークが大きくなってしまう。これを抑制するために、図８に示すような、例えば、ＺｎＳ−ＳｉＯ２のような熱伝導率の低い誘電体材料を低熱伝導膜３４ａ，３４ｂとして金属構造体３２の上方および下方に設けるとよい。これにより、記録マークを微小化できる。このようにして、高い光利用効率で、且つ熱エネルギーの局所化にともなう高密度の情報の記録再生が可能である。
【００４２】
（５）本発明の第５の実施の形態
本発明の第５の実施の形態を図７、図９、図１０に基づいて説明する。本実施の形態の光記録媒体は、第１、第２の実施の形態の光記録媒体と同様の構成（図１の構成）を有する。記録再生は近接場光によるもの、伝搬光を集光して行うもののどちらであっても構わない。
【００４３】
本実施例の光記録媒体において、Ａｕ金属微細構造体に共鳴する周波数の光（波長５００ｎｍ）を照射した場合のＦＤＴＤ法による数値シミュレーション結果は、図７に示した通りであり、電界が金属微細構造体近傍に強く集中することを確認した。
【００４４】
一方、Ａｕ金属微細構造体による局在表面プラズモンの共鳴周波数から外れた光（波長４００ｎｍ）を照射した場合の計算結果を図９に示す。共鳴周波数から外れた光を照射した場合、金属微細構造体近傍に発生する電界は、金属微細構造の内部に染み込むことはできず、金属外部に電界が集中することが図９より確認できる。このことを利用すると、波長の異なる光（ここでは波長５００ｎｍと４００ｎｍ）を照射することで、記録膜１３の微小な領域の異なる位置に情報を記録再生することでき、また、記録再生のための光強度の違い、記録マークの大きさ・形状の違いを利用して、光の周波数に関し多重化された情報の記録再生ができる。
【００４５】
上記のような光の周波数による多重化を行う場合、記録マークの位置や大きさ・形状を読み取るために、金属構造体１２は周期的に配列されていなければならない。金属構造体１２の周期的な配列としては、図１０に示すように、正方格子状の配列（図１０（ａ））や、六方最密格子状の配列（図１０（ｂ））が適用でき、これらの配列の差異により、電界の集中する空間を制御することができる。
【００４６】
（６）本発明の第６の実施の形態
本発明の第６の実施の形態を、図１１〜１３に基づいて説明する。本実施の形態の光記録媒体は、第１の実施の形態の光記録媒体と同様の構成（図１の構成）を有する。本実施例における光記録媒体４０は、図１１に示すように、記録膜４３の材料の選択に応じて、基板４１として反射率の高くなるような材料を選択する。
【００４７】
図１２および図１３は基板の効果を説明するシミュレーション結果を示す図である。図１２は、円筒形状のＡｇ金属構造体を単に有機色素材料で被覆したモデルによる、金属構造体の直上面における電界強度の空間分布を計算した結果である。これに対して、図１３は、有機色素材料に対して屈折率の低いポリカーネートを基板の材料として金属構造体の下方に配置したモデル（本実施例の構成）による計算結果である。図１２と図１３は同一のスケールで描かれた電界強度分布を表しており、ホリカーボネート基板がある場合に、金属構造体の直上面において、電界強度の一層の増大が生じることを確認した。この効果は、記録膜４３と基板４１との屈折率差による反射が生じ、金属構造体４３と相互作用する光エネルギーが増加することに起因している。この結果から、記録膜４３の材料と基板４１の境界面における反射率を高めるような基板材料を選択することで、高い光利用効率で情報の記録再生ができる。
【００４８】
また、同様の効果として、基板上に金属反射膜や誘電体多層膜を設けることによって、さらに反射率を高めることができ、一層の高効率化が期待できる。ただし、金属反射膜や誘電体多層膜による、熱の拡散やレーザービームスポットの広がりなどを考慮する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を適用した光記録媒体の断面と、近接場光を照射する構成を説明する図である。
【図２】本発明を適用した光記録媒体の断面と、近接場光を照射する図１とは異なる構成を示す図である。
【図３】Ｍｉｅ理論による、局在表面プラズモンによる共鳴現象（共鳴周波数）を説明する図である。
【図４】本発明を適用した光記録媒体による、電界強度の増強を説明する図である。
【図５】本発明を適用した光記録媒体に、ＳＩＬで集光された光を照射する構成を示す図である。
【図６】Ｍｉｅ理論による、電界強度の金属構造体のサイズに対する依存性を示す図である。
【図７】局在表面プラズモンが共鳴する周波数の光による、金属構造体近傍の電界分布の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明を適用した光記録媒体の断面図である。
【図９】局在表面プラズモンが共鳴する周波数から外れた周波数の光による、金属構造体近傍の電界分布の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１０】金属構造体の周期構造説明する図である。
【図１１】本発明を適用した光記録媒体における、記録膜と基板との屈折率の関係を示した図である。
【図１２】基板の効果を含まない場合の、金属構造体近傍の電界分布の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１３】基板の効果を含んだ場合の、金属構造体近傍の電界分布の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１４】従来技術１を説明する図である。
【図１５】従来技術２を説明する図である。
【図１６】従来技術３を説明する図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０，３０，４０    光記録媒体
１１，２１，３１，４１，７０１，９０２    基板
１２，２２，３２，４２    金属構造体
１３，２３，３３，４３，７０４，９０６    記録膜
３４ａ，３４ｂ    低熱伝導膜
６０    プローブ
６１，７１，８１    対物レンズ
６２，９１０Ａ    誘電体
６３    金属皮膜
８２，８１３    ＳＩＬ
７０２    超解像再生膜
７０５    超解像記録膜
７０６，９１０    反射膜
７３１，７３２    干渉膜
８１１    レーザビーム
８１２    集光レンズ
８１４    光ディスク
８１４ａ    記録層
９０４，９０８    誘電体膜
９１０Ｂ    金属微粒子
９１２    保護膜
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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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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