(57)【要約】【課題】透明領域において１％を超える屈折率変化率特性を有し、かつ、この屈折率変化を記録する。【解決手段】複数の量子ドット１０６が基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する。バリア構造部１０６が複数の量子ドットを取り囲む誘電体からなる。注入部１０５がバリア構造部を介して複数の量子ドットの基底準位に、エネルギー準位を変化させて電子をトンネル注入あるいは注入を阻止する。光源１０１Ａが基底準位の電子を励起準位に励起させるエネルギーを有する光を量子ドットに照射する。光源１０１Ｂが光源１０１Ａが照射する光のエネルギーとは異なるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射する。【選択図】図１
2006098996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットを取り囲む誘電体からなるバリア構造部と、
前記バリア構造部を介して前記複数の量子ドットの基底準位に、エネルギー準位を変化させて電子をトンネル効果により注入あるいは注入を阻止するための注入部と、
前記基底準位の電子を前記励起準位に励起させるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射する第１の光源と、
前記第１の光源が照射する光のエネルギーとは異なるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射する第２の光源を具備することを特徴とする屈折率変化装置。
【請求項２】
前記電子注入部へ電圧を印加していない状態での前記注入部のエネルギー準位が前記量子ドットの基底準位及び励起準位それぞれと、周囲の環境温度から得られるエネルギー以上の差を持つ前記請求項１の屈折率変化装置。
【請求項３】
前記注入部から量子ドットへ電子を注入する手段は、電子注入部のエネルギー準位が、量子ドットの前記基底準位を中心として、幅が周囲の環境温度から得られるエネルギー以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の屈折率変化装置。
【請求項４】
前記注入部から量子ドットへ電子を注入する手段は、電子注入部のエネルギー準位が、量子ドットの前記基底準位よりも、周囲の環境温度から得られるエネルギー以下だけ高いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の屈折率変化装置。
【請求項５】
前記注入手段は、
前記バリア構造部を挟むように配置される２つの透明電極と、
各前記透明電極に電圧を印加する印加手段を具備することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の屈折率変化装置。
【請求項６】
各前記量子ドットは、基底準位と励起準位とのエネルギーのギャップが２ｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔは周囲の環境温度）よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の屈折率変化装置。
【請求項７】
各前記量子ドットは、基底準位と励起準位とのエネルギーのギャップがフェルミ−ディラック分布関数により規定されるエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の屈折率変化装置。
【請求項８】
各前記量子ドットは金属微粒子、半導体微粒子、フラーレン分子、カーボンナノチューブ、及び有機分子からなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の屈折率変化装置。
【請求項９】
基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する量子ドットの基底準位の電子を励起準位に励起させるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射し、
基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する複数の量子ドットを取り囲む誘電体からなるバリア構造部を介して、前記複数の量子ドットの基底準位に、電子を注入する注入部のエネルギー準位を変化させて電子をトンネル効果により注入あるいは注入を阻止することを特徴とする屈折率変化方法。
【請求項１０】
前記電子を注入する場合に、前記注入部のエネルギー準位が量子ドットの前記基底準位を中心として幅が周囲の環境温度から得られるエネルギー以下で注入することを特徴とする請求項９に記載の屈折率変化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率変化装置及び屈折率変化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多数の研究者が屈折率変化材料の研究開発を進めている（例えば、特許文献１参照）。屈折率は光の伝播特性を制御するため、屈折率の大きさや分布を制御する光を制御することになるからである。これまでは、液晶による屈折率変化制御技術の開発の成功により、液晶ディスプレイが製品化された。これ以外には屈折率変化は光コンピュータの主要なメカニズムになると考えられたため、この方面では主にポッケルス効果やカー効果等、二次あるいは三次の非線形光学材料の研究が数多く行われてきている。
【特許文献１】特開２００２−２１７４８８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、二次あるいは三次の非線形光学材料による、実際に透明領域での屈折率の変化率は実質的には１％を超えるものはほとんどない。１０％程度の屈折率変化を達成しているものとしては液晶があるが、液晶は液状のため応用用途が限られる。また、液晶は電圧をきった場合、記録を保持することはできない。
【０００４】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、透明領域において１％を超える屈折率変化率特性を有し、かつ、この屈折率変化を記録することができる屈折率変化装置及び屈折率変化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】
【０００５】
本発明の屈折率変化装置によれば、基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを取り囲む誘電体からなるバリア構造部と、前記バリア構造部を介して前記複数の量子ドットの基底準位に、エネルギー準位を変化させて電子をトンネル効果により注入あるいは注入を阻止するための注入部と、前記基底準位の電子を前記励起準位に励起させるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射する第１の光源と、前記第１の光源が照射する光のエネルギーとは異なるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射する第２の光源を具備することを特徴とする。
【０００６】
本発明の屈折率変化方法によれば、基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する量子ドットの基底準位の電子を励起準位に励起させるエネルギーを有する光を前記量子ドットに照射し、基底準位と励起準位とが周囲の環境温度によるエネルギーによって交わることがない離散的なエネルギー準位を有する複数の量子ドットを取り囲む誘電体からなるバリア構造部を介して前記複数の量子ドットの基底準位に、電子を注入する注入部のエネルギー準位を変化させて電子をトンネル効果により注入あるいは注入を阻止することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の屈折率変化装置及び屈折率変化方法によれば、透明領域において１％を超える屈折率変化率特性を有し、かつ、この屈折率変化を記録することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の屈折率変化装置及び屈折率変化方法について詳細に説明する。  
本実施形態の屈折率変化装置は、図１に示すように、光源１０１Ａ、光源１０１Ｂ、制御部１０２、電子注入部の準位制御部１０３、屈折率変化素子構造部１０４からなる。屈折率変化素子構造部１０４は、例えば、電子注入部としてＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）透明電極１０５、複数の量子ドット、バリア構造部を含む量子構造部１０６からなる。透明電極１０５は量子構造部１０６とは反対側にガラス基板が付いたものでも良い。  
量子ドットとは、電子のド・ブロイ波長程度の大きさをもつドット状の領域に電子を閉じ込めることにより、状態密度エネルギーが離散化された０次元電子系のことである。量子ドットは離散的なエネルギー準位を有する。量子ドットとしては金属微粒子、半導体微粒子、フラーレン分子、カーボンナノチューブ、及び有機分子からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。また、バリア構造部では、電子のエネルギーが量子ドットのエネルギー準位にほぼ一致すれば電子がトンネリングする特性を有する。
【０００９】
光源１０１Ａ及び光源１０１Ｂは、制御部１０２に指定された所定のエネルギーを有する光を発生する。発生した光は、屈折率変化素子構造部１０４に照射される。光源１０１Ａは、例えば、屈折率変化素子構造部１０４内部の量子ドットの電子を励起するための励起光を発生する。光源１０１Ｂは、例えば、屈折率変化素子構造部１０４に屈折率を変化させることにより記録された画像を再生するための再生光を発生する。再生光のエネルギーは、量子ドット及びバリア材料が吸収しない、あるいは吸収係数が小さい程度の大きさが好ましく、例えば、屈折率変化素子構造部１０４を透過した光の透過率が５０％以上有る程度のエネルギーに調整されることが好ましい。励起光のエネルギーの詳細については後に図３を参照して説明する。
【００１０】
制御部１０２は、屈折率変化装置を制御するものであり、例えば、光源１０１Ａ及び１０１Ｂが発生する光のエネルギーの大きさ、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３が屈折率変化素子構造部１０４に注入するための電子注入部のエネルギー準位を決定する。
【００１１】
電子注入部１０５から、電子注入部のエネルギ-準位制御部１０３に指定された所定のエネルギーを有する電子を介して量子構造部１０６に注入する。電子注入部１０５のエネルギー準位を制御しトンネル効果によって電子を注入する。トンネル効果による電子注入はシュレーディンガー方程式によればバリア層が薄くなければトンネル効果が起こる確率は著しく低くなってしまうので、或る程度の薄さのバリア層が必要である。バリア層の厚みについては後に図３を参照して説明する。電子注入部１０５は、例えば、屈折率変化素子構造部１０４を挟む１対の電極や、近接場光学顕微鏡（Near-field Scanning Optical Microscope，ＮＳＯＭ）のプローブとＩＴＯ透明電極１０５との対であり、これらで電子を量子構造部１０６に注入する。
【００１２】
屈折率変化素子構造部１０４は、量子ドットを含むポリスチレン膜をＩＴＯ透明電極１０５で挟んだ構造を有する。量子構造部１０６は、例えば、量子ドットとしてＣ６０、バリア構造部としてポリスチレン膜からなる。量子ドットとしては金属微粒子、半導体微粒子、フラーレン分子、カーボンナノチューブ、及び有機分子からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。量子構造部１０６は、量子ドットとバリア構造部により量子ドットのエネルギー準位が量子井戸型構造を有する。量子構造部１０６の詳細は後に図２を参照して説明する。
【００１３】
ここで、本発明の実施形態にかかる屈折率変化装置の原理を説明する。  
屈折率は、基底準位（ＨＯＭＯ：Highest Occupied Molecular Orbital、ＳＯＭＯ：Single Occupied Molecular Orbital）と励起準位（ＬＵＭＯ：Lowest Unoccupied Molecular Orbital）との間のエネルギーギャップの大きさに関係している。  
電子注入部１０５が量子構造部１０６の量子ドットに電子を注入すると、屈折率の決定に大きく寄与する最外殻オービタル（すなわち、最高被占分子軌道）の外側に、新たに最外殻オービタル（すなわち、より高エネルギーの最高被占分子軌道）が形成され、この新たな最外殻オービタルが維持されれば大きな屈折率変化の効果を維持することができる。
【００１４】
本発明の実施形態においては、電子注入部１０５が量子構造部１０６へ電子を注入した後であれば電子が新たな最外殻オービタルに維持されるので屈折率変化素子構造部１０４の屈折率変化の効果が維持される。したがって、本実施形態の屈折率変化装置では、電子注入後に電子注入部１０５からエネルギーを注入する必要がなくなる。これは本実施形態の屈折率変化装置を記録装置になぞらえると、光源１０１Ａ、電子注入部のエネルギー準位制御部１０５、電子注入部１０５が書き込み装置、電子が注入される量子構造部１０６が媒体（屈折率変化媒体）に相当する。  
本発明の実施形態の屈折率変化装置及び屈折率変化方法は、屈折率変化の新しいメカニズムを提案するものであり、本発明の実施形態にかかる屈折率変化装置によればこれまでの手法よりも大きな屈折率変化を得ることができる。
【００１５】
次に、屈折率変化素子構造部１０４の構造を図２を参照して説明する。   
屈折率変化素子構造部１０４は、図２に示したように、ＩＴＯ透明電極１０５、量子構造部１０６からなり、量子構造部１０６はバリア構造部２０１、複数の量子ドット２０２からなる。  
図２に示すように、ＩＴＯ透明電極１０５は２つあり量子構造部１０６をサンドイッチ状に挟んで保持する。量子構造部１０６は、例えば、バリア構造部２０１だけの層と量子ドット２０２を含んだバリア構造部２０１の層が積層されている。各ＩＴＯ透明電極（電子注入部）１０５は、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３と接続していて、一方のＩＴＯ透明電極１０５から量子構造部１０６に電子がトンネル効果により注入される。また、バリア構造部２０１は、比誘電率が７以上であることが好ましい。
【００１６】
屈折率変化素子構造部１０４は、エネルギー準位が量子井戸構造を持つ必要があり、量子ドット２０２とバリア構造部２０１を備えている。また、量子ドット２０２に電子を注入することのできる構造が必要であり、制御部１０２が量子ドット２０２に電子を注入できる状態に制御することができることが必要であるので、電子注入部であるＩＴＯ透明電極１０５とそのエネンルギー準位の制御部１０３が設けられる。さらに、電子が注入された量子ドット２０２は安定な状態を維持することができること、電子が注入されるＩＴＯ透明電極１０５のエネルギー準位であるフェルミレベルと量子ドット２０２のエネルギー準位の相対関係を変化することが可能なように電子注入部のエネルギー準位制御部１０３がＩＴＯ透明電極１０５に接続される。この電子注入については後に図３を参照して説明する。
【００１７】
また、屈折率変化素子構造部１０４は光機能素子であることから光の入射部及び出射部が必要となるが、ＩＴＯ透明電極１０５が透明であることにより、ＩＴＯ透明電極１０５が光の入射部及び射出部となる。図２では、左右のどちらか、あるいは両方のＩＴＯ透明電極１０５の左方から励起光又は再生光が入射し、左右のどちらか、あるいは両方のＩＴＯ透明電極１０５から透過光が射出する。
【００１８】
量子ドットの材料としては、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、有機分子がある。代表的な量子ドットの材料は、ナノ粒子材料である、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属、  Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、ダイヤモンド、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ等のIII−V族半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、等のII−VI族半導体、Ｃ６０、カーボンナノチューブ等の有機分子、無機分子がある。また、バリア構造部の材料としては、ガラスやポリマー等、基底準位（ＨＯＭＯ、ＳＯＭＯ）と励起準位（ＬＵＭＯ）との間のエネルギーギャップが大きく、かつ、量子ドットを励起する光の波長を吸収しない材料が好ましい。また、再生光が屈折率変化素子構造部１０４を透過した光の透過率が５０％以上有るような材料が好ましい。  
ところで、三次非線形光学材料は適さない。なぜなら、三次非線形光学材料では量子効果により量子ドットに電場を印加し、電子や励起子の波動関数を変調して、屈折率変化の効果が増大することが知られているが、三次非線形光学材料による屈折率変化は本実施形態の屈折率変化装置による屈折率変化よりも少なく本実施形態によるものよりも１、２桁以上も小さくなるからである。三次非線形光学効果は理論的には電場を大きくすればそれなりに屈折率変化は大きくなるが、実際には材料が強電場で破壊されてしまい、報告されている変化率はほとんど１％以下である。三次非線形光学効果の場合、本実施形態の屈折率変化装置での場合のように電子を注入する訳ではなく、強電場に強くするためバリア層は厚くしているのが一般的である。
【００１９】
次に、光源１０１Ａが発生する励起光に関する現象について図３を参照して説明する。  
光源１０１Ａは、上述した励起光として、図３に示すように、量子ドットの基底準位Ｇ１とそのすぐ上のエネルギー準位である励起準位Ｅ１のエネルギーギャップ差に相当するエネルギーを有する光を屈折率変化素子構造部１０４に照射する。基底準位Ｇ１にある１つの電子が励起光のエネルギーを吸収して励起準位Ｅ１に励起される。この場合、この励起光は量子ドットのエネルギー準位に共鳴するエネルギーを有していると言われ、この励起光のエネルギーを共鳴エネルギーと呼ぶ。
【００２０】
さらに、このとき、電子注入部１０５が、励起によって量子ドットの基底準位Ｇ１に生じたホールに、電子を注入する。基底準位Ｇ１に１つの電子が注入されることにより、エネルギーを放射して励起準位Ｅ１から基底準位Ｇ１に電子が落ち込むこともなくなる。すなわち、基底準位Ｇ１に電子が注入されることにより、電子が励起準位Ｅ１に安定して存在することができる。  
より詳細には、次の様にして、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３が、電子注入部１０５が注入する電子のエネルギー準位を決定する。基底準位Ｇ１、励起準位Ｅ１等に存在する電子は、常に温度によるエネルギーを得たり、放出したりしている。すなわち、基底準位Ｇ１等は温度によるエネルギー分だけ余計に幅が広がる。ここで、本説明ではエネルギー準位は温度の影響がなければ、デルタ関数のように幅がないとして説明することができるが、実際は状態密度分布だけ幅があり、エネルギー準位の高さあるいは大きさとはその幅の範囲を全て含むものとする。その幅は、厳密にはフェルミ−ディラック分布関数によって決定されるが、ほぼｋＴ（ｋ：ボルツマン係数（約８．６１×１０−５（ｅＶ／Ｋ））、Ｔ：温度（単位はＫ［ケルビン］））で示されることが知られている。したがって、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３は、電子注入部１０５が基底準位Ｇ１を中心とした幅ｋＴのエネルギー（すなわち、Ｇ１−ｋＴとＧ１＋ｋＴの間のエネルギー）を持つ電子を屈折率変化素子構造部１０４に注入するように制御すればよい。より好ましくは、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３は、電子注入部１０５が基底準位Ｇ１よりもｋＴ以下だけ高いエネルギー（すなわち、Ｇ１よりも高くＧ１＋（ｋＴ以下）であるエネルギー）を持つ電子を屈折率変化素子構造部１０４に注入するように制御することである。その後、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３が、屈折率変化素子構造部１０４に接続している電子注入部１０５の部位の電位をドット基底準位よりｋＴ（ｅＶ）以上上げるように制御すると、基底準位Ｇ１に在る電子が電子注入部１０５へ戻ることはできず、励起準位に在る電子が基底準位Ｇ１に落ち込まず安定する。  
また、本実施形態では、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３が電子注入部１０５を制御しない状態に於いて電子注入部１０５が量子ドットの基底準位よりｋＴ（ｅＶ）以上差がある状態であるとし、電子注入する場合に電子注入部１０５のエネルギ-準位制御部１０３が電子注入部１０５を制御してトンネル注入によって量子構造部１０６へ電子を注入した場合、注入後電子注入部のエネルギー準位制御部１０３が制御を止めた場合、電子注入部と量子ドットの基底準位との相互作用がなくなり、基底準位Ｇ１に在る電子が電子注入部１０５へ戻らず、励起準位に在る電子が基底準位Ｇ１に落ち込まず安定する。  
すなわち、本実施形態の屈折率変化装置によれば、消費電力が無い状態で励起準位に在る電子が基底準位Ｇ１に落ち込まず安定させることができる。この場合、温度による電子のエネルギー準位の幅を考慮しても基底準位Ｇ１のエネルギー準位と励起準位Ｅ１のエネルギー準位がそれぞれ電子注入部のエネルギー準位と交わらないような量子ドット材料と電子注入部の材料を用意しておくことが必要である。すなわち、量子ドットでは、基底準位Ｇ１と励起準位Ｅ１とのエネルギーギャップが２ｋＴよりも大きいという条件が必要であり、基底準位Ｇ１と電子注入部のエネルギー準位との差、励起準位Ｅ１と電子注入部のエネルギー準位との差がそれぞれｋＴ以上あれば消費電力を少なく屈折率変化を保持することができる。また、この条件を満たせば、電子注入部１０５が励起準位Ｅ１に電子を注入しないようにするために、基底準位Ｇ１よりもｋＴだけ高いエネルギーが、励起準位Ｅ１が温度によるエネルギーにより揺らいだ場合を考慮した励起準位Ｅ１のエネルギーのｋＴだけ低いエネルギーよりも小さくする、すなわち、励起準位Ｅ１と基底準位Ｇ１が２ｋＴ以上離れているという条件も満たす。  
さらに、温度による電子の擾乱によりエネルギー準位が揺らいで励起準位Ｅ１のエネルギー準位と励起準位Ｅ２のエネルギー準位が交わらないような量子ドット材料を用意しておくことが好ましい。すなわち、量子ドットでは、励起準位Ｅ１と励起準位Ｅ２とのエネルギーギャップが２ｋＴよりも大きいことが好ましい。
【００２１】
電子注入部１０５と屈折率変化を起こす量子ドットの間のどこかにトンネリングバリアが必要だが、例えば電子注入部１０５と量子ドットの集合体との間にトンネリングバリアがあれば量子ドット間にはトンネリングバリアはなくてもよい。ただし、量子ドットでは、離散的エネルギー準位が保持されていることが必要となる。
【００２２】
また逆に、量子ドット間がトンネリングバリアに覆われていれば、量子ドットの集合体の表面と電子注入部１０５との間にトンネリングバリアがある必要がなく、この場合は最表面の量子ドットは電子注入部１０５の一部として機能する。励起光が屈折率変化素子構造部１０４に照射される以前に電子注入部１０５の電子のエネルギー準位であるフェルミレベルと量子ドットの基底準位あるいは励起準位のエネルギー準位との差が小さければ、励起光により励起準位に励起された電子は間もなく基底準位に落ち込んでしまう。言い換えれば、この場合、励起準位にある電子が温度によるエネルギーにより揺らぐことにより、この電子とホールはすぐに再結合してしまう。励起準位に電子が存在していないと、屈折率の変化は生じない。したがって、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３は、屈折率変化を起こすか起こさないかを電極準位で決定する。
【００２３】
以上のようにして電子が励起された状態が保持されている場合、複素屈折率の実部が変化する。この変化率は、励起準位に保持された電子がさらに上位の励起準位Ｅ２に励起されるエネルギーギャップ、すなわちＥ１とＥ２との間のエネルギーギャップ、とＧ１とＥ１との間のエネルギーギャップとの差が大きいほど大きくなる。また、ドットのサイズが小さくＥ１の電子密度が小さく飽和しやすいほど、屈折率変化が大きくなる。電子が励起された状態が保持されている場合の屈折率の変化率の大きさは非常に大きく１０％以上が可能であり、従来の非線形光学材料の２桁以上も大きい変化率を達成することができる。
【００２４】
光源１０１Ａからの励起光ω１により変化した屈折率実部の変化は、光源１０１Ｂが再生光ω２を屈折率変化素子構造部１０４に照射することにより、屈折率変化素子構造部１０４は透明でありながらここから励起光により書き込まれた屈折率変化パターンを読み出すことができる。一方、励起電子の保持を止める場合には電子注入部の電位を基底準位Ｇ１あるいは励起エネルギーＥ１よりやや低エネルギーにあわせれば、ホール生成から光放出によって、元の状態に戻るか、励起準位Ｅ１から電子注入部へ直接排出し、元の状態に戻る。すなわち、このようにして屈折率変化素子構造部１０４に記録された屈折率変化パターンを消去することができる。このように本実施形態形態の屈折率変化装置は、映像やアナログデータ、デジタルデータを記録する記録装置としても使用することができる。
【００２５】
以上に示したように、本実施形態の屈折率変化装置によれば、励起状態に電子を定常的に安定して存在させることができ、屈折率変化素子構造部１０４の屈折率を定常的に安定して局所的に変化させることができる。
【００２６】
電子を量子構造部１０６に注入する手法は、電子のトンネル効果を用いる。バリア構造部２０１が薄い場合にトンネリングが起こりやすい。トンネル効果はトンネリングバリアを形成するバリア構造部２０１が厚さに依存する。トンネル効果の生じる確率は、シュレーディンガー方程式に基づいて計算することができ、バリア構造部２０１の厚みが薄いほどトンネル効果が生じやすい。  
より詳細には、トンネル効果は、量子力学的な系でポテンシャルＶ０の高さがあるバリアに、Ｖ０よりも小さいエネルギーＥの電子が衝突した時にバリアを突き抜ける現象である。バリアの内側でも外側でも確率ｔがゼロでない場合に起こる。シュレーディンガー方程式にしたがって計算すれば、バリアを通り抜ける透過率すなわちトンネル効果の確率ｔは下記の式で表わされる（例えば、「単一電子トンネリング概論」春山純志著、コロナ社、２００２年初版参照）。  
【００２７】
【数１】
2006098996.tif 000003
【００２８】
この式によると、バリアの厚みａが薄いほどトンネリングが起こり易いことがわかる。
【００２９】
また、量子構造部１０６に集積された離散的なエネルギー準位をもつ量子ドット２０２に電子が注入されると、クーロンブロッケードが起こる場合があり、量子ドット２０２に電子が捕獲され安定化する。クーロンブロッケードが起こるためには以下の３つの条件を満たす必要がある。  
【００３０】
【数２】
2006098996.tif 000004
【００３１】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ＲＴは接合トンネル抵抗、ＲＱは抵抗量子（２５．８ｋΩ）、Ｒｅ（Ｚｔ（ω））は外場電磁場環境インピーダンスの実部、εは誘電率、Ｓは接合面積、ａはトンネリングバリアの厚みである。まず、バリアとなるバリア構造部２０１は電子がトンネルできるほど薄い必要があり、次にバリア構造部２０１の帯電エネルギー（量子ドットのエネルギー準位上昇分）が環境温度エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）より大きい必要がある。したがって、バリア構造部２０１の静電容量が小さい必要があるが、その静電容量を決める因子の１つである膜厚は上記のようにトンネリング可能な薄さにとどめるという制限がある。また、面積すなわち量子ドットの表面積の影響が決定的となり、必然的に量子ドットのサイズは小さいことが必要となる。
【００３２】
クーロンブロッケードをエネルギー準位の観点から説明すれば、電極のエネルギー準位であるフェルミレベルとトンネリング先である量子ドットのエネルギー準位（Ｅcとする）との関係で決定される。すなわち、電子１個の注入でＥcがｋＴ以上変化すればよい。
【００３３】
本発明の実施形態にかかる屈折率変化素子の効果は、ポッケルス効果を代表する２次や３次の非線形光学効果によって構造部の屈折率変化を得る従来技術とは大きく異なる。両者の相違点について以下に説明する。  
（１）従来技術では、電子は構造部に電場を加えるための電極にとどまっている。一方、本発明の実施形態では、電子は電子注入部から構造部の量子ドットへと移動する。
【００３４】
（２）従来技術では、構造部に電圧を印加することを止めたときに、非線形光学効果が失われ、屈折率変化効果も失われる。一方、本発明の実施形態では、電子が量子ドットにとどまっている限り、屈折率変化の効果が持続する。
【００３５】
（３）従来技術のポッケルス効果では、屈折率変化の度合いはたかだか１０-3程度である。一方、本発明の実施形態では、屈折率変化の度合いは１０-1又はそれ以上になる。
【００３６】
（４）一般にフォトクロミズムなど吸収スペクトルを変化させる方法はいくつかある。また、クラマース−クロニッヒの関係が導くように、吸収端近傍における屈折率変化は比較的大きくできる。このため、吸収スペクトル又は吸収係数を変化させて屈折率実部を変化させる方法はよく用いられている。しかし、透明領域においては大きく屈折率を変化させることは難しい。一方、本発明の実施形態においては、透明領域においても大きな屈折率変化をもたらすことができる。
【００３７】
（５）一般的な３次元のバルク半導体の場合、多数の電荷が同一励起バンド枝に存在するため、１個の電子を注入してもバンド（エネルギー準位）を占有する電子の分布の変化が非常に小さい。一方、本発明の実施形態では、量子ドットのエネルギー準位が離散化されているため、１個のエネルギー準位に存在できる電子の数は数えられる程度である。このため量子ドットに新たに１個の電子を注入した場合、電子はそれまで電子が存在していなかったエネルギー準位を占有する。また、量子ドットのエネルギー準位が離散化しているため、吸収スペクトルピークの幅が狭く透明領域が広い。
【００３８】
（６）本発明の実施形態に係る屈折率変化素子は、光の導波を制御すること及び情報の光記録を目的とするものであり、この点で吸収や共鳴状態を伴うレーザや増幅器とは異なる。したがって、透明な波長領域が広ければ広いほど光デバイスとしての応用範囲は広くなる。さらに、本発明の実施形態は、吸収共鳴効果で３次非線形光学効果が増幅される量子ドット励起子効果とは原理も異なり、透明領域でも屈折率変化するという効果も異なる。
【００３９】
（７）本発明の実施形態では、量子ドット以外の屈折率変化素子構造部１０４は屈折率変化しないため、量子ドットの密度が高いほど全体の平均屈折率変化が大きくなる。本発明の実施形態にかかる屈折率変化素子を導波路として使用する場合、平均屈折率変化が少なくとも１．５％を超えるように量子ドットの密度を設定することが有効である。１．５％とは現在使用されている導波路の屈折率変化の一般的な値である。
【００４０】
上記の相違点に関連してさらに原理的な説明を述べる。量子ドットへ入射した光はその電場によって、電子殻を揺らす（励起）。揺らされた電子殻は光を放出する。この時の放出過程はアインシュタインのＢ係数に関わるもので、非共鳴領域においても励起から放出までに時間を要する。励起と放出を繰り返すことによって、光は伝播していく。この励起・放出にかかる時間が光伝播の位相速度Ｖpを決定する。真空中の光速をＣとするとＶp／Ｃが、本実施形態の屈折率変化装置で変化を起こそうとする屈折率実部である。屈折率は、以下に示すように、ローレンツ−ローレンスの式を通して分子分極率と関係づけられる。  
【００４１】
【数３】
2006098996.tif 000005
【００４２】
ここで、ｎは屈折率、Ｍはモル質量（１モルあたりの質量）、ρは密度、ＮＡはアボガドロ数、αは分極率である。
【００４３】
分子分極率を変化させるためには、２次、３次の非線形光学効果を利用し、電場を印加することによって電子のオービタルを歪ませるという方法が一般的である。しかし、この方法による分極率変化は小さい。一方、ナノスケールサイズの量子ビットに電子を注入した場合、新しくオービタルが形成され、かつクーロン反発がおこるため、ＨＯＭＯやＬＵＭＯのケミカルポテンシャルやＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが大きく変動する。したがってこれらの効果により分極率が大きく変化する。なお、量子ビットから電子を排出した場合、新たなオービタルは形成されないため、電子を注入した場合に較べて屈折率の変化は小さい。それでも、従来技術である非線形光学効果による分極率変化に較べて大きな変化が期待できる。
【００４４】
また、一般に、量子ドットに電子を過剰に供給すると量子ドットは安定して存在しにくくなる傾向がある。一方、本発明の実施形態のように、量子ドットの周囲を誘電体で取り囲むと、誘電緩和により全体のエネルギーが安定し、しかも分極率の変化も大きくなる。電子注入時には、バリア構造部のＬＵＭＯを量子ドットのＬＵＭＯよりも高くしておくことによって電子は量子ドットに捕獲される。
【００４５】
電子注入時の駆動電圧は、量子ドット間に存在する誘電体をコンデンサーとして考え、このコンデンサーが電極間に直列に並んだ回路と考えて概算することができる。モデルとして、図４に示すように１辺の長さが１ｎｍである立方体の量子ドットの周囲を膜厚０．５ｎｍのバリア構造部が囲んでいると仮定し、図５に示すようにこれが直列に５個並んだコンデンサーを考える。このコンデンサー間に電子１個分ずつが蓄積されていったとして電圧Ｖを計算する。電圧Ｖとコンデンサーの容量Ｃと電荷Ｑの間にはＶ＝Ｑ／Ｃの関係がある。また、Ｃは下記の式で表される。  
Ｃ＝ε0εrＳ／ｄ  
ここで、ε0は真空の誘電率（ε0＝８．８５×１０-12Ｆ／ｍ）、εrは比誘電率、Ｓはコンデンサーの面積、ｄはコンデンサーの距離である。
【００４６】
上記のモデルでは、Ｓ＝１×１０-18ｍ2、ｄ＝１×１０-9×５［ｍ］である。ただし、量子ドットを含めた全厚みは１０ｎｍとなる。電荷Ｑは量子ドットに注入される電子５個分に相当するので、Ｑ＝ｅ×５＝１．６×１０-19［Ｃ］×５＝８×１０-19［Ｃ］となる。
【００４７】
εr＝１０とするとＣ＝１．８×１０-20となるのでＶは約４４Ｖとなる。全厚みを１００ｎｍとすると、εr＝１０の場合は４４０Ｖとなるが、εr＝１００の場合は４４Ｖ、さらにεr＝１０００であれば４．４Ｖとなり、容易に電子注入可能である。上記のモデルではεr＝８８０程度で駆動電圧が約５Ｖとなるので、駆動電圧の観点からみればこの程度の比誘電率が好ましい。さらに厚みを増したい場合には、電極を多層にして厚みを増してもよい。なお、電極に対して並列に並べることは問題ない。
【実施例】
【００４８】
以下に、具体的な実験例を挙げて本発明の実施形態にかかる屈折率変化装置を説明する。  
（実験例１）  
屈折率変化素子構造部１０４を変形した具体的な実験例を図６を参照して説明する。  
本例では、バリア構造部２０１としてポリスチレン膜を使用し、量子ドット２０２としてＣ６０を使用する。図６の例では、ポリスチレン膜にＣ６０を分散する。この量子ドット２０２を含んだポリスチレン膜を積層して、この積層したものをＩＴＯ透明電極１０５でサンドイッチ状に挟む。ＩＴＯ透明電極１０５の電位差を変えられるように、ＩＴＯ透明電極（電子注入部）１０５には電子注入部のエネルギー準位制御部１０３が接続されている。図６に示した屈折率変化素子構造部は、このようなポリスチレン膜を透明電極１０５で挟んだものを１０層積層したものである。  
また、ＩＴＯ透明電極１０５の電圧は、図６に示すように、端から、アース（０ボルト）、所定の電圧Ｖボルト、アース、Ｖボルト・・・と交互になるように設定する。まず、制御部１０２が電源電圧Ｖを図２のエネルギー準位Ｇ１に一致するように制御する。そして、制御部１０２は光源１０１Ａに、屈折率変化素子構造部１０４に記録させるパターンの形状をしたエネルギー２．７ｅＶの励起光を照射するように制御する。その後、制御部１０２は、電子注入部のエネルギー準位制御部１０３を通して電子注入部１０５に指示し、電子注入部１０５のエネルギ-準位を量子ドットのエネルギー準位Ｇ１より１．３ｅＶ上昇させ、光源１０１Ａに指示し光照射を止めさせる。その結果、量子構造部１０６のＣ６０を含んだポリスチレン膜にパターン形状が屈折率変化図として写しだされていることがわかった。
【００４９】
この例では、光の照射が最も強かった部分の屈折率変化率は約１０％であった。これは複素屈折率変化の実部の変化であるため、照射光ω１以外の光、例えば、０．９５ｅＶの再生光を屈折率変化素子構造部に照射してもパターンは認識できた。このパターン形状の他にもデジタルデータも同様に一括記録ができた。本例では、トンネリングバリアの役割はポリスチレンが果たしているため、ＩＴＯ透明電極１０５とＣ６０を含んだポリスチレン膜との間にバリア膜を形成する必要は無い。  
また、屈折率変化素子構造部の形状をディスク型にし、この屈折率変化素子構造部を回転させながら光の照射を行い記録し、その後光を照射して再生を行っても同様な結果を得た。
【００５０】
次に、図６に示した例に対応する、量子ドット２０２がＣ６０であり、バリア構造部２０１がポリスチレンでできている場合を図７を参照して説明する。  
図７に示したＣ６０の場合、例えば、屈折率変化素子構造部１０４中の量子構造部１０６の量子ドットの温度が３００Ｋとすると、この温度によるエネルギーの揺らぎの程度であるｋＴは約０．０２６ｅＶになる。また、図７に示したＣ６０の場合は、基底準位Ｇ１と励起準位Ｅ１とのエネルギーギャップは２．７ｅＶであるので、２ｋＴ（約０．０５２ｅＶ）よりも大きい。さらに、図７に示したＣ６０の場合は、励起準位Ｅ１と励起準位Ｅ２のエネルギーギャップは１．４ｅＶであるので、やはり２ｋＴ（約０．０５２ｅＶ）よりも大きい。
【００５１】
（実験例２）  
実験例１において、電子注入部としてＩＴＯ透明電極を金に変えた場合、電圧印加を止めた時、屈折率パターンは消去したが、この接続部分をセシウムにした場合は電圧印加を止めた後もパターンが保持されていた。
【００５２】
（実験例３）  
本例は、２つの励起光を対物レンズにより干渉させて、この干渉縞を量子構造部１０６に記録するものである。本例を図８を参照して説明する。  
実験例１の屈折率変化素子構造部に対物レンズ５０１を通して２つの励起光ω１、ω２（共にエネルギー２．７ｅＶ、波長約４６０ｎｍ）を干渉させて照射し、干渉縞のスポットを量子構造部１０６に記録した。これはデジタルデータの記録にあたる。この干渉縞の密度は１ｃｍ２あたり９個程度とした。この後、エネルギー０．９５ｅＶ（波長約１．３μｍ）の光（再生光）を発生する光源１０１Ｂからビーム面積１ｃｍ２で照射したところ、９ポイントで回折し、一度の読み出しでビーム径全ての読み出しが可能なことがわかった。
【００５３】
（実験例４）  
実験例１の量子ドット２０２であるＣ６０の代わりに粒径約１．２ｎｍのＣｄＳｅナノ結晶を用いた。励起光として３．０ｅＶ（４１０ｎｍ）、再生光として０．８ｅＶ（１．５５μｍ）を使用したところ、実験例１と同様の結果を得ることができた。
【００５４】
以上に示したように、本実施形態の屈折率変化装置及び屈折率変化方法によれば、離散的なエネルギー準位を有する量子ドットの基底準位の電子を励起準位に励起させるエネルギーを有する光を量子ドットに照射し、量子ドットの基底準位に電子を注入することにより、透明領域において１％を超える屈折率変化率特性を有し、かつ、この屈折率変化を記録することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態にかかる屈折率変化装置のブロック図。
【図２】図１の屈折率変化素子構造部の構造を示した図。
【図３】励起光による現象及び電子注入を説明するための図。
【図４】量子ドットとこれを囲むバリア構造部のモデルを示す図。
【図５】電子注入時の駆動電圧を求めるための回路を示す図。
【図６】屈折率変化素子構造部と電子注入部のエネルギー準位制御部１０３の接続の一例を示す模式図。
【図７】量子ドットがＣ６０である場合の図３を示す図。
【図８】２つの励起光を対物レンズにより干渉させる場合の屈折率変化装置を示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１０１Ａ、１０１Ｂ・・・光源、１０２・・・制御部、１０３・・・電子注入部のエネルギー準位制御部、１０４・・・屈折率変化素子構造部、１０５・・・電子注入部（透明電極）、１０６・・・量子構造部、２０１・・・バリア構造部、２０２・・・量子ドット、５０１・・・対物レンズ
【図１】
2006098996.tif 000006
【図２】
2006098996.tif 000007
【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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