(57)【要約】【課題】  インバース構造において、欠陥ボリュームが制御された欠陥が導入された三次元フォトニック結晶などのための微粒子構造体、構造体全体の繰り返しを乱すことなく、局所的に欠陥が導入された周期的な微粒子構造体、このような三次元周期構造体を用いた導波路ならびに共振器を提供すること。【解決手段】  材質ａ中に大きさの等しい複数の球状空間が三次元的に規則的に配列されており、該複数の球状空間のうちの選択された１以上の球状空間に材質ａとは異なる材質ｂ（例えば、芯粒子の材質ｂ１と外殻の材質ｂ２）が満たされた構造を有する三次元周期構造体である。材質ｂ１の芯粒子は球形状を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材質ａ中に大きさの等しい複数の球状空間が三次元的に規則的に配列されてなる三次元周期構造体であって、
前記複数の球状空間のうちの選択された１以上の球状空間に材質ａとは異なる材質ｂが満たされていることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元周期構造体において、
前記材質ｂは、少なくとも２つ以上の異なる材質部分からなることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元周期構造体において、
前記材質ｂは、芯粒子の材質ｂ１と該芯粒子を皮状に包んでいる外殻の材質ｂ２とから構成され、且つ、前記材質ｂ１の芯粒子は球形状であることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元周期構造体において、
前記球状空間に材質ｂが充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、該複数箇所のいずれかの間において前記材質ｂにおける材質ｂ１の芯粒子の大きさが異なっていることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項５】
請求項３に記載の三次元周期構造体において、
前記球状空間に材質ｂが充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、該複数箇所のいずれかの間において芯粒子の材質が異なっているか、皮の材質が異なっていることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項６】
請求項１、請求項２、請求項４または請求項５のいずれかに記載の三次元周期構造体において、
前記球状空間に材質ｂが充填されている箇所の配置位置が微粒子構造体中で、二次元的もしくは三次元的な任意のパターンとなっていることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項７】
請求項６に記載の三次元周期構造体において、
前記球状空間に材質ｂが充填されている微粒子構造体中のパターンが空間的な対称構造を有していることを特徴とする三次元周期構造体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の三次元周期構造体を用いたことを特徴とする導波路。
【請求項９】
請求項１から７のいずれかに記載の三次元周期構造体を用いたことを特徴とする共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶として利用される微粒子構造体および該三次元周期構造体を用いた導波路ならびに共振器に関し、特に微粒子構造体への欠陥導入技術に関するものである。
【０００２】
本発明は、フォトニック結晶の欠陥を利用した導波路デバイス、および、光共振器などの光回路の分野への応用に特に適する微粒子構造体に関するものであるが、さらに、フォトニック結晶に限らず、一般に、構造体が高度に規則配列した周期構造を有することによる特有の特性を発現し、かつ、この構造体中に全体の周期構造を壊すことなく、周期構造の欠陥（不規則性）を導入することにより、新たな特性を発現する材料およびデバイスに適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
従来の微粒子を用いた構造体やフォトニック結晶、およびその形成方法に関する公知文献として、例えば特許第２９０５７１２号（特許文献１）、特開２００１−４２１４４号公報（特許文献２）、特開２００１−２４９２３４号公報（特許文献３）などがある。
【０００４】
また、本発明の対象としているインバース構造（逆オパール構造）の形成に関わる公知文献としては、例えば特開２００３−２６８７号公報（特許文献４）、特開２００４−４６２２４号公報（特許文献５）などがある。
【０００５】
以下、これらの公知文献の要約をまとめておく。
ａ）特許第２９０５７１２号明細書（特許文献１）に開示された発明は、微粒子の最密充填構造を有したオパール様回折発色膜とその製造法に関するものである。
【０００６】
ｂ）特開２００１−４２１４４号公報（特許文献２）に開示された発明は、微粒子の結晶構造を利用したフォトニック結晶とその製造方法に関するものである。
ｃ）特開２００１−２４９２３４号公報（特許文献３）に開示された発明は、ポリマー媒質中で微粒子を配列させた後に、圧縮するフォトニック結晶の形成方法に関するものである。
【０００７】
特開２００３−２６８７号公報（特許文献４）に開示された発明は、焼成時に焼失可能な微粒子とこの微粒子よりも粒径の小さいナノサイズ粒子とが混じった懸濁溶液に浸漬して基板上に微粒子を配列させると同時に微粒子間にナノサイズ粒子を充填させて、基板上に微粒子とナノサイズ粒子との粒子膜を形成した後、この粒子膜を焼成することにより微粒子を焼失させてインバース構造を形成する方法に関するものである。
【０００８】
特開２００４−４６２２４号公報（特許文献５）に開示された発明は、特開２００３−２６８７号公報（特許文献１）の方法により形成したインバース構造に、光異性化を起こす化合物とネマチック液晶との混合物を充填することにより、所望波長の光の反射のＯＮ／ＯＦＦを光でスイッチングすることができるようにした光応答型液晶入りフォトニック結晶に関するものである。
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜３に開示された発明では、結晶全体の構造を崩さずに、欠陥ボリュームが制御された欠陥が導入された微粒子構造体および微粒子によるフォトニック結晶については何ら言及していない。
【００１０】
また、特許文献４，５に開示された発明では、インバース構造を形成する方法については開示されているものの、本発明が対象とする如き、結晶全体の構造を崩さずに、欠陥ボリュームを制御した欠陥が導入されたインバース構造体およびインバース構造によるフォトニック結晶については何ら開示されていない。
【００１１】
【特許文献１】特許第２９０５７１２号明細書
【特許文献２】特開２００１−４２１４４号公報
【特許文献３】特開２００１−２４９２３４号公報
【特許文献４】特開２００３−２６８７号公報
【特許文献５】特開２００４−４６２２４号公報
【特許文献６】特開２０００−２３３９９９号公報（後述）
【非特許文献１】ユリイ エー ヴラソフ（Yurii A.Vlasov）外３名著，“On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals”「ネ−チャ（Nature）」，２００１年１１月１５日，Vol.４１４, ｐ．２８９−２９３（後述）
【非特許文献２】クラシミール ピー ベリコフ（Krassimir P.Velikov）外２名著“Photonic crystal of core-shell colloidal particles”「アプライド フィズィックス レターズ（Applied Physics Letters）」，２００２年１月７日，Vol.８０，No.１, ｐ．４９−５１ （後述）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
フォトニック結晶とは、屈折率の異なった二つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶では、この規則構造・周期構造を有することにより、従来の光学材料では得られなかった特性を発揮するようになる。
【００１３】
そのもっとも特徴的なものは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の発現である。フォトニック結晶では、ＰＢＧに対応した波長の光は完全に通さないが、その他の波長は透過させることができる。完全（無欠陥）なフォトニック結晶では、ＰＢＧの波長の光は完全に通さない。図１７は、フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図（横軸；波長、縦軸；透過率）であり、１０１はＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）を示している。ＰＢＧ１０１に対応した波長の光はフォトニック結晶中を通さない（透過率がゼロ）ことを示している。
【００１４】
こうしたフォトニック結晶の利用の仕方にはいろいろあるが、フォトニック結晶の特性を活かした最も重要な使用方法は、フォトニック結晶中に欠陥を導入することにより、本来、光が存在しえないＰＢＧ中に局在化した準位（欠陥準位）を発生させて、欠陥が導入された領域にのみ光を局在させるというものである。
【００１５】
図１８は、光が存在しえないＰＢＧ中に欠陥により発生した局在化した準位（欠陥準位）１０２を示す図であり、光はこの局在化した準位（欠陥準位）１０２のみに局在するようになる。こうした光の局在化の特性を利用して導波路や共振器などを構成することが可能となる。
【００１６】
こうした欠陥の導入が具体的にどのように行われているのかを、通常、行われている ＳＯＩ（Silicon on Insulator）を利用したエアーブリッジ型の２次元フォトニック結晶を例にして説明する。
【００１７】
図１９は、無欠陥の２次元のエアーブリッジ型フォトニック結晶を示す図であり、同図（ａ）は上方から見た平面図を、同図（ｂ）はその断面図を示している。
【００１８】
図１９に示す無欠陥の２次元のエアーブリッジ型フォトニック結晶では、シリコン結晶１０３中に一定の周期でエアーホール１０４が導入されていて、欠陥が全く存在しない状態を示している。同図において、１０５はシリコン基板、１０６は酸化シリコン、１０７は空隙を示している。
【００１９】
図１９に示す如き無欠陥の２次元のエアーブリッジ型フォトニック結晶への欠陥導入は、周期構造の繰り返しを乱すことによって行われる。
【００２０】
具体的には、図２０（ａ）に示すように、無欠陥の２次元エアーブリッジ型フォトニック結晶の場合に周期的に繰り返されるエアーホールのうち、欠陥１０８となる箇所にはエアーホールを入れないという方法（これを「ドナー型」という）と、図２０（ｂ）に示すように、無欠陥の２次元エアーブリッジ型フォトニック結晶の場合に周期的に繰り返されるエアーホール１０４のうち、欠陥１０９となる箇所には他のエアーホール１０４とは異なる大きさのエアーホールを入れてやる方法（これを「アクセプタ型」という）がある。こうしたドナー型およびアクセプタ型といった呼び方の由来は、通常の半導体材料への不純物ドーピングのアナロジーからきている。
【００２１】
また、特にアクセプタ型では、欠陥となる位置のエアーホールの大きさを変えることにより、ＰＢＧに導入される準位のエネルギー（波長λ）を変えてやることができる。図２１は、アクセプタ型欠陥の大きさと順位のエネルギー（周波数ω＝ｈｃ／波長λ）の関係を示す図であり、アクセプタ型欠陥の大きさが大きくなるほど、ＰＢＧに導入される順位のエネルギーも大きくなることを示している。
【００２２】
この関係を利用することにより、アクセプタ型欠陥の大きさによる波長チューニング性を付与させることができる。このように、欠陥の大きさを変えることにより、波長チューニング性を付与させることを、本発明では、“欠陥ボリュームを制御する”という言葉を用いて表現することにする。
【００２３】
上記の例は、フォトニック結晶として２次元結晶を用いた場合の例であるが、光の局在化や閉じ込めが可能になるというフォトニック結晶の特性を考えると、フォトニック結晶として三次元結晶の形態で利用した方が有効と考えられる。その理由は、２次元結晶の場合には、上下方向に対して光の閉じ込め効果が働いていないため、どうしても上下方向に光が漏れてしまうからである。
【００２４】
しかしながら、上記で説明した技術は、フォトリソグラフィなどによる微細加工技術をベースにしているため、三次元フォトニック結晶へ適用させることは難しい。
【００２５】
三次元フォトニック形成に有利な微粒子を用いた方法では、フォトニック結晶に欠陥を導入したり、ドーピングしたりする場合には、従来、フォトニック結晶の基本構造を構成する微粒子とは大きさの異なる微粒子を結晶の一部に入れていた（例えば、ユリイ エー ヴラソフ（Yurii A.Vlasov）外３名著，“On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals”「ネーチャ（Nature）」，２００１年１１月１５日，Vol.４１４, ｐ．２８９−２９３参照；非特許文献１）
【００２６】
しかしながら、この方法では、フォトニック結晶全体の周期構造を乱さずに導入できる欠陥は、基本構造を構成する微粒子間の間隙にちょうど入り込める微粒子の使用しか許されない。これよりも大きな微粒子を使用すると、フォトニック結晶全体の周期構造を乱してしまう。したがって、この方法では、導入した欠陥の欠陥ボリュームを制御することはできない。
【００２７】
以上のように、三次元フォトニック結晶に欠陥を導入し、かつ、結晶全体の周期構造を壊さずに自在にその欠陥ボリュームが制御する方法は、従来、全く提示されていなかった。
【００２８】
以上のような課題を鑑みて、本願出願人は、先に、微粒子が規則配列した微粒子構造体において、微粒子構造体の全体の規則性を乱すことなく、欠陥ボリュームが制御された欠陥の導入された微粒子構造体に関する発明を、特願２００３−０２６７７１として既に出願している。
【００２９】
しかしながら、微粒子構造体は屈折率変調が弱いために、光閉じ込め効果が充分に得られるフォトニック結晶としては、必ずしも適してはいない。そこで、微粒子１１０からなる微粒子構造体（図２２（ａ））を型として用い、該微粒子構造体に大きな屈折率材料を充填させた後、微粒子１１０を焼失させ、微粒子１１０部分を空隙１１２にした反転構造（インバース構造：図２２（ｂ））を形成して、光閉じ込めをするのに有利な構造体に転換をすることが、従来、行われてきている（例えば、特開２０００−２３３９９９号公報（特許文献６））。
【００３０】
以上のようなインバース構造において、従来、導入された欠陥の欠陥ボリュームを自在に制御する技術は存在していなかった。
【００３１】
そこで、本発明の目的は、上記問題点を解消し、インバース構造において、欠陥ボリュームが制御された欠陥が導入された三次元フォトニック結晶などのための微粒子構造体を提供すること、また、フォトニック結晶と同様に、構造体が規則的な繰り返し構造（周期構造）を有することにより特有の特性を発現し、この周期構造体中に欠陥を導入することにより新たな特性が付与される場合において、構造体全体の繰り返しを乱すことなく、局所的に欠陥が導入された周期的な微粒子構造体を提供すること、およびこのような三次元周期構造体を用いた導波路ならびに共振器を提供することにある。
【００３２】
各請求項のより具体的な目的は以下のようなものである。
【００３３】
イ）請求項１、請求項２および請求項３記載の発明の目的は、周期構造体の規則性を乱すことなく欠陥を導入し、欠陥ボリュームを制御することである。
【００３４】
ロ）請求項４および請求項５記載の発明の目的は、欠陥ボリュームの異なる二つ以上の欠陥を全体の規則性を乱すことなく、同時に周期構造体中に導入することである。
【００３５】
ハ）請求項６記載の発明の目的は、周期構造体に導入された、欠陥ボリュームの制御された欠陥を導波路や共振器などに利用することである。
【００３６】
ニ）請求項７記載の発明の目的は、周期構造体の基本構造が有する周期長よりも長周期の周期構造を周期構造体に導入し、長周期構造により引き起こされる効果・特性を利用することである。
【００３７】
ホ）請求項８および９記載の発明の目的は、全体の構造を壊したり、乱したりせずに欠陥を導入した三次元周期構造体を用いた導波路および共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
ａ）請求項１記載の発明は、材質ａ中に大きさの等しい複数の球状空間が三次元的に規則的に配列されてなる三次元周期構造体であって、前記複数の球状空間のうちの選択された１以上の球状空間に材質ａとは異なる材質ｂが満たされていることを特徴としている。
【００３９】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１に記載の三次元周期構造体において、材質ｂが、少なくとも２つ以上の異なる材質部分からなることを特徴としている。
【００４０】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項２に記載の三次元周期構造体において、前記材質ｂが、芯粒子の材質ｂ１と該芯粒子を皮状に包んでいる外殻の材質ｂ２とから構成され、且つ、前記材質ｂ１の芯粒子は球形状であることを特徴としている。
【００４１】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項３に記載の三次元周期構造体において、前記球状空間に材質ｂが充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、該複数箇所のいずれかの間において前記材質ｂにおける材質ｂ１の芯粒子の大きさが異なっていることを特徴としている。
【００４２】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項３に記載の三次元周期構造体において、前記球状空間に材質ｂが充填されている箇所が複数箇所あり、且つ、該複数箇所のいずれかの間において芯粒子の材質が異なっているか、皮の材質が異なっていることを特徴としている。
【００４３】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項４または請求項５のいずれかに記載の三次元周期構造体において、前記球状空間に材質ｂが充填されている箇所の配置位置が微粒子構造体中で、二次元的もしくは三次元的な任意のパターンとなっていることを特徴としている。
【００４４】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項６に記載の三次元周期構造体において、前記球状空間に材質ｂが充填されている微粒子構造体中のパターンが空間的な対称構造を有していることを特徴としている。
【００４５】
ｈ）請求項８および９記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の三次元周期構造体を用いたことを特徴とする導波路および共振器である。
【発明の効果】
【００４６】
ａ）請求項１記載の発明の効果
請求項１に記載の三次元周期構造体によれば、材質ａ中に存在している任意の球状空間に材質ａとは異なる材質ｂが満たされているので、欠陥が導入された三次元周期構造体でも全体の構造を壊したり、乱したりすることがない。
【００４７】
ｂ）請求項２記載の発明の効果
請求項２に記載の三次元周期構造体によれば、少なくとも２つ以上の異なる材質から材質ｂが構成されているため、三次元周期構造全体からみた材質ｂの箇所の実効的な屈折率を自在に制御できることになり、導入する欠陥の欠陥ボリュームを実効的に変化・制御することが可能となる。
【００４８】
ｃ）請求項３記載の発明の効果
請求項３に記載の三次元周期構造体によれば、材質ｂが、材質ｂ１からなる球形状の芯粒子と芯粒子を皮状に包んでいる外殻の材質ｂ２から構成されていることにより、三次元周期構造の規則性を乱すことなく、導入する欠陥の欠陥ボリュームを実効的に変化・制御することが可能となる。
【００４９】
ｄ）請求項４記載の発明の効果
請求項４に記載の三次元周期構造体によれば、材質ｂ１からなる球形状芯粒子の大きさが任意の箇所において異なっていることにより、三次元周期構造体中に欠陥ボリュームの異なる複数の欠陥が導入されている。以上のような三次元周期構造体は、フォトニック結晶として利用する場合に、異なった波長の利用が可能となり、欠陥が複数種あることを利用したデバイスへの利用が可能となる。
【００５０】
ｅ）請求項５記載の発明の効果
請求項５に記載の三次元周期構造体によれば、任意の材質ｂの箇所間における芯粒子の材質が異なっているか、あるいは皮の材質が異なっていることにより、三次元周期構造体中に欠陥ボリュームの異なる複数の欠陥が導入されている。以上のような三次元周期構造体は、フォトニック結晶として利用する場合に、異なった波長の利用が可能となり、欠陥が複数種あることを利用したデバイスへの利用が可能となる。
【００５１】
ｆ）請求項６記載の発明の効果
請求項６に記載の三次元周期構造体によれば、材質ｂが充填されている箇所の配置位置が、三次元周期構造体中で、二次元的もしくは三次元的な、任意のパターンとなっていることにより、導入された欠陥を利用して、導波路や共振器などのデバイスを構成することができる。
【００５２】
ｇ）請求項７記載の発明の効果
請求項７に記載の三次元周期構造体によれば、材質ｂの三次元周期構造体中での配置パターンが空間的な対称構造を有していることにより、対称構造による共鳴効果利用したデバイスや共振器のモード低減など、空間対称構造による効果を利用したデバイスの構成が可能となる。
【００５３】
ｈ）請求項８および９記載の発明の効果
請求項８および９に記載の導波路および共振器によれば、請求項１〜７に記載の三次元周期構造体中に導入された欠陥を利用した導波路および共振器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
本発明の基本構成を、図１を用いて説明する。
図１に示すように、本発明の三次元周期構造体は、材質ａ中に大きさの等しい複数の球状空間ｃが最密充填構造で配列しており（インバース構造）、且つ、任意の選択された１以上の球状空間ｃには、材質ｂ１の球状芯粒子と材質ｂ２の外殻からなる材質ｂが充填されている。すなわち材質ｂの箇所は、材質ｂ１と材質ｂ２の多重構造の粒子となっている。
【００５５】
材質ｂの箇所は、周囲の球状空間と同一径、且つ、同一形状であるため、材質ｂが充填されていても、三次元周期構造体全体の周期性を乱すことはないが、フォトニック結晶のように特性の決定に誘電率が支配している場合を例にすると、材質ｂが充填されたことにより、三次元周期構造体中に球状空間とは異なる誘電率が部分的に導入されるため、フォトニック結晶としては、欠陥が導入されたことになる。
【００５６】
その結果として、光学特性としては、局在化された準位が形成される。フォトニック結晶としては、材質ｂ全体の平均化された誘電率が問題となるわけで、材質ｂ１と材質ｂ２とを異なった材質を用いることにより、材質ｂの平均化された誘電率の値を制御することが可能になる。
【００５７】
材質ｂの平均化された誘電率を制御する方法としては、材質ｂ１および材質ｂ２の選択や材質ｂ１の球状芯粒子の大きさを調整することにより行う方法がある。
【００５８】
材質ｂを材質ｂ１と材質ｂ２の多重構成にするのは、材質ｂの平均屈折率を制御するためなので、材質ｂ１が材質ａと同一、あるいは、材質ｂ２が材質ａと同一になる場合があっても差し支えない。
【００５９】
本発明で用いている多重構造の粒子を形成する方法には既にいろいろな方法が開発されており、こうした多重構造の粒子を使ってフォトニック結晶に利用するという研究は既に開示されている（クラシミール ピー ベリコフ（Krassimir P.Velikov）外２名著“Photonic crystal of core-shell colloidal particles”「アプライド フィズィックス レターズ（Applied Physics Letters）」，２００２年１月７日，Vol.８０，No.１, ｐ．４９−５１（非特許文献２））。
【００６０】
しかしながら、インバース構造内部の球状空間と同一の大きさ・球状の多重粒子を用いることにより、結晶の乱れを防止しつつ、欠陥ボリュームを制御できることについては従来報告されていない。
【００６１】
以上の説明で、材質の誘電率について述べているのは、フォトニック結晶が誘電率の空間的周期構造によって、その特性を発現するからである。本発明の本旨は、全体の周期構造が乱されることなく、且つ、制御された欠陥が導入されている三次元周期構造体である。
【００６２】
したがって、誘電率ではない他の物性値の空間周期構造により特有の特性を発現させる周期構造体の場合には、特性を発現する元となっている物性値に着目して、その物性値が異なるように材質ａ、材質ｂ１、および、材質ｂ２を選択するようにしてもよい。
【００６３】
本発明では、導入する欠陥の箇所が多重構造（図１の場合は２重構造）を有していることにより、その箇所の平均の物性値（フォトニック結晶の場合には、誘電率）を制御している。このようなやり方は、微細加工によるトップダウン的な形成方法では難しい。本発明に係る三次元周期構造体は、ボトムアップ（自己組織化現象の利用）により、全体の周期構造を乱さずに、制御された欠陥を導入する。以下、実施例を用いて、詳しく説明を行う。
【実施例１】
【００６４】
実施例１を、図面を用いて説明する。本実施例は、請求項１、請求項２および請求項３に係る発明を説明するためのものである。
【００６５】
本実施例１では、図２に示すように、粒径３６０ｎｍの球形状単分散シリカ粒子（微粒子１）と粒径３００ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２）を用意する。
【００６６】
次に、粒子１をエタノール分散媒中に４ｗｔ％で分散させた原料液２０を調整する。次に、図３に示すように、酸化膜つきＳｉウェハにＴｉイオンを照射した基板２１と、酸化膜つきＳｉウェハの基板２２の間に、ギャップ材２３を用いて、厚さ１０μｍの空間を作る。ここで、基板にＴｉイオンを照射した基板２１を用いる理由は、後の工程で、基板２１と基板２２の間の形成された微粒子構造体を剥がし取る際に、基板２１の上に選択的に微粒子構造体２４を残すためである。
【００６７】
以上のような基板２１と基板２２による構成物の下端を、図３に示すように、原料液容器１９に入れた原料液２０につける。基板２１と基板２２による構成物の上端からは、分散媒が蒸発するため、原料液２０は、基板２１と基板２２による作られる間隙中を、図３中の上方へ向かって供給され、基板２１と基板２２による構成物の上端に微粒子構造体２４が集積される。なお、図中、２５は、原料液容器１９からの分散媒蒸散防止のためのカバーである。
【００６８】
集積後、分散媒を充分蒸発させた後、基板２２を剥がすことにより、基板２１上に微粒子１の微粒子構造体２４が得られる。
【００６９】
この後、微粒子構造体２４を５００℃で１時間炉中アニールを行った後、球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアがコートされた微粒子２をマイクロピンセットにより、微粒子構造体表面の任意の位置に配置する。この後、再び、微粒子構造体を５００℃で１時間炉中アニールを行う。
【００７０】
この後、上記如くして得られた基板上に微粒子構造体が形成された基板２１と基板２２（基板２２とは別の基板２２’でも可）で、厚さ２０μｍのギャップ材２３’（図３のギャップ材２３を厚さ２０μｍのギャップ材２３’に置き換える）を用いて、厚さ２０μｍの空間を作り、基板２１と基板２２による構成物の下端を、図３と同様に、微粒子１による原料液につけて、微粒子１の微粒子構造体を集積させる。微粒子構造体を集積した後、基板２２を剥がし、５００℃で１時間炉中アニールを行う。
【００７１】
以上までの工程により、球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアがコートされた微粒子２による欠陥層が、球形状単分散シリカ粒子である微粒子１の微粒子構造体によりサンドイッチされた微粒子構造体が得られる。この微粒子構造体の欠陥層を上方から見ると、図４に示すように微粒子２が導入されている。
【００７２】
この後、基板２１上で形成された微粒子構造体を新たな基板２２ａで挟んだものの下端を、図５に示すように、平均粒径２ｎｍのチタニア粒子水分散液（濃度：１０ｗｔ％）につけて、微粒子構造体の粒子間にチタニア粒子を充填させる。
【００７３】
チタニア粒子が充填された後、基板２２ａを剥がし、５００℃で１時間炉中アニールを行う。この後、チタニア粒子が充填された微粒子構造体２４ａを２％ＨＦ水溶液につけて、シリカの部分を溶解除去した後、水によりリンスを行い、乾燥させることにより、目的とする三次元周期構造体を得ることができる。
【００７４】
この三次元周期構造体は、チタニアのインバース構造中に、球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアがコートされた微粒子２による欠陥層が導入されている。この三次元周期構造体の欠陥層を上方から見ると、図６に示すように、球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアがコートされた微粒子２が導入されている。
【００７５】
ここで、述べるマイクロピンセットとは、原子間力顕微鏡やトンネル顕微鏡などに用いられているマイクロプローブを微小物質のハンドリングに用いたもので、これを用いて、微粒子を１個ごと、あるいは、複数の微粒子からなるブロックを狙った位置にもっていき、配置する。
【実施例２】
【００７６】
次に、実施例２を、図面を用いて説明する。本実施例は、請求項１、請求項２、請求項３および請求項４に係る発明を説明するためのものである。
【００７７】
図７は、実施例２で使用する微粒子を説明するための図である。実施例２では、図７に示すような３種類の微粒子を用意する。
【００７８】
同図（ａ）は、粒径３６０ｎｍの球形状単分散シリカ粒子（微粒子１）を示し、同図（ｂ）は、粒径３００ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−１）を示し、同図（ｃ）は、粒径３００ｎｍの球形状単分散チタニア粒子の表面にアルミナをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−２）を示している。
【００７９】
まず、図３に示すように、実施例１と同様の方法にて、微粒子１を酸化膜つきＳｉウェハにＴｉイオンを照射した基板２１上に集積させる。
【００８０】
この後、微粒子構造体を５００℃で１時間炉中アニールを行った後、マイクロピンセットにより、微粒子２−１と微粒子２−２をそれぞれ微粒子構造体表面の任意の位置に配置する。
【００８１】
微粒子２−１と微粒子２−２を配置した微粒子構造体は、厚さ２０μｍのギャップ材（２３’）を用いて、新たな酸化膜つきＳｉウェハ基板２２で挟み、図３に示すように、この下端を微粒子１の原料液につけて、微粒子１の微粒子構造体を集積させる。微粒子構造体を集積した後、基板２２を剥がし、５００℃で１時間炉中アニールを行う。
【００８２】
以上までの工程により、微粒子２−１および微粒子２−２による欠陥層が微粒子１の微粒子構造体によりサンドイッチされた微粒子構造体が得られる。この微粒子構造体の欠陥層を上方から見ると、図８に示すように、微粒子２−１および微粒子２−２が導入されている。
【００８３】
この後、基板２１上で形成された微粒子構造体を新たな基板２２（または別の基板２２’でもよい）で挟んだものの下端を、図５に示すように、平均粒径２ｎｍのチタニア粒子水分散液（濃度：１０ｗｔ％）につけて、微粒子構造体の微粒子間にチタニア粒子を充填させる。
【００８４】
チタニア粒子が充填された後、基板２２を剥がし、５００℃で１時間炉中アニールを行う。この後、チタニア粒子が充填された微粒子構造体を２％ＨＦ水溶液につけて、シリカの部分を溶解除去した後、水によりリンスを行い、乾燥させることにより、目的とする三次元周期構造体を得ることができる。
【００８５】
この三次元周期構造体は、チタニアのインバース構造中に、微粒子２−１（図７（ｂ）参照）および微粒子２−２（図７（ｃ）参照）による欠陥層が導入されている。この三次元周期構造体の欠陥層を上方から見ると、図９に示すように、微粒子２−１および微粒子２−２が導入されている。
【実施例３】
【００８６】
次に、実施例３を、図面を用いて説明する。本実施例は、請求項１、請求項２、請求項３および請求項５に係る発明を説明するためのものである。
【００８７】
図１０は、実施例３で使用する微粒子を説明するための図である。実施例３では、図１０に示すような３種類の微粒子を用意する。
【００８８】
図１０（ａ）は、粒径３６０ｎｍの球形状単分散シリカ粒子（微粒子１）を示し、図１０（ｂ）は、粒径２８０ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−１）を示し、図１０（ｃ）は、粒径３２０ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−２）を示している。
【００８９】
実施例３は微粒子２が異なるだけで、形成方法は実施例２と同様である。
【００９０】
本実施例の三次元周期構造体の欠陥層を上方から見ると、図１１に示すように、微粒子２−１および微粒子２−２が導入されている。
【実施例４】
【００９１】
次に、実施例４を、図面を用いて説明する。本実施例は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４および請求項６に係る発明を説明するためのものである。
【００９２】
図１２は、実施例４で使用する微粒子を説明するための図である。実施例４では、図１２に示すような４種類の微粒子を用意する。
【００９３】
図１２（ａ）は、粒径３６０ｎｍの球形状単分散シリカ粒子（微粒子１）を示し、図１２（ｂ）は、粒径３２０ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−１）を示し、図１２（ｃ）は、粒径２８０ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−２）を示し、図１２（ｄ）は、粒径２４０ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２−３）を示している。
【００９４】
三次元周期構造体の形成方法は、実施例１、実施例２および実施例３と同様であるが、微粒子２（微粒子２−１，微粒子２−２，微粒子２−３）をマイクロピンセットで配列させる際に、図１３のように配列させた点が異なっている。
【００９５】
すなわち、微粒子２（微粒子２−１，微粒子２−２，微粒子２−３）の配列の後、実施例３と同様に、微粒子１を再び集積させ、熱処理、チタニア粒子充填、熱処理、シリカ除去を行うことにより、目的とする三次元周期構造体を得る。この三次元周期構造体の欠陥層を上方から見ると、図１４に示すように、微粒子２−１、微粒子２−２および微粒子２−３が導入されている。
【００９６】
図１４に示すように、パターニングされた欠陥が導入された三次元周期構造体は、微粒子２−２による波長λ１の局所準位を形成する欠陥と微粒子２−３による波長λ２の局所準位を形成する欠陥が、周期構造を乱すことなく同時に導入されているため、波長λ１と波長λ２が混合された光を図１４のＡから入れると、Ｂからは波長λ１の光を、Ｃからは波長λ２の光を取り出すことができ、導波路として利用できる。
【実施例５】
【００９７】
次に、実施例５を、図面を用いて説明する。本実施例は、請求項１、請求項２、請求項３および請求項７に係る発明を説明するためのものである。
【００９８】
実施例５では、図２に示すような２種類の微粒子、すなわち、粒径３６０ｎｍの球形状単分散シリカ粒子（微粒子１）と、粒径３００ｎｍの球形状単分散アルミナ粒子の表面にチタニアをコートして、粒径３６０ｎｍとした球形状単分散粒子（微粒子２）を用意する。
【００９９】
三次元周期構造体の形成方法は、実施例１、実施例２、実施例３および実施例４と同様であるが、微粒子２をマイクロピンセットで配列させる際に、図１５のように配列させる。
【０１００】
微粒子２の配列の後、実施例３と同様に、微粒子１を再び集積させ、熱処理、チタニア粒子充填、熱処理、シリカ除去を行うことにより、目的とする三次元周期構造体を得る。
【０１０１】
この三次元周期構造体の欠陥層を上方から見ると、図１６に示すように微粒子２が導入されている。
【０１０２】
図１６に示す通り、本実施例は、六回対称と平進対称による繰り返し構造の場合の例である。本発明では、中間工程での微粒子構造体形成の際に、微粒子１と微粒子２の形状・大きさが同一であるため、微粒子構造体全体の規則性を壊すことがない。その結果、最終的に得られる三次元周期構造体の規則性も乱されることなく、空間対称構造を有した欠陥の導入が可能となっている。本実施例の三次元周期構造体によると、微粒子１、２のレベルの周期構造と、六回対称と平進対称による繰り返し周期構造を有するため、それぞれの特性が合成された特性を得ることができる。
【０１０３】
なお、実施例１から実施例５で用いた材料は、シリカ、チタニア、アルミナであるが、本発明は、これらの材料に限定するものではなく、シリカやチタニアなどの金属酸化物、他の無機誘電体材料、金属、半導体、有機物でもかまわない。周期構造効果を利用する物性値が、微粒子２の芯と外殻で異なっている点が重要である。
【０１０４】
上記実施例では、材質ｂの部分を材質ｂ１、ｂ２（あるいはさらに材質ｂ３）などを用いて多重化することにより物性値（誘電率など）を制御を多様化し、制御しやすくしているが、必ずしも多重化する必要はなく材質ｂの部分を単一の材質で構成してもよい。この場合は、物性値（誘電率など）の制御の多様性は劣るが、製造は容易になる。
【０１０５】
また、実施例１〜５に係る微粒子構造体は、周期構造体における欠陥部となる材質ｂの部分に光を局在化させる特徴を有することを利用して導波路や共振器を構成する際に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の基本構成を説明するための図である。
【図２】実施例１に使用する微粒子を説明するための図である。
【図３】微粒子構造体の集積方法を説明するための図である。
【図４】実施例１プロセス中に形成される微粒子構造体の欠陥層を説明するための図である。
【図５】チタニア・ナノ粒子の充填方法を説明するための図である。
【図６】実施例１の三次元周期構造体を説明するための図である。
【図７】実施例２に使用する微粒子を説明するための図である。
【図８】実施例２プロセス中に形成される微粒子構造体の欠陥層を説明するための図である。
【図９】実施例２の三次元周期構造体を説明するための図である。
【図１０】実施例３に使用する微粒子を説明するための図である。
【図１１】実施例３の三次元周期構造体を説明するための図である。
【図１２】実施例４に使用する微粒子を説明するための図である。
【図１３】実施例４のプロセス中に形成される微粒子構造体の欠陥層を説明するための図である。
【図１４】実施例４の三次元周期構造体を説明するための図である。
【図１５】実施例５のプロセス中に形成される微粒子構造体の欠陥層を説明するための図である。
【図１６】実施例５の三次元周期構造体を説明するための図である。
【図１７】フォトニック結晶の光透過スペクトルを説明するための図である。
【図１８】欠陥により発生する局在準位を説明するための図である。
【図１９】エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶を説明するための図である。
【図２０】２次元フォトニック結晶への欠陥の導入を説明するための図である。
【図２１】アクセプタ型欠陥の大きさと形成される準位の周波数を説明するための図である。
【図２２】微粒子構造体とインバース構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１９：原料液容器
２０，２０ａ：原料液
２１，２２，２２ａ：基板
２３：ギャップ材
２４，２４ａ：微粒子構造体
２５：カバー
１０３：シリコン
１０４：エアーホール
１０５：シリコン基板
１０６：酸化シリコン
１０７：空隙
１０８，１０９：欠陥
１１０：微粒子
１１１：構造材
１１２：空隙
【図１】
2006162638.tif 000003
【図２】
2006162638.tif 000004
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2006162638.tif 000022
【図２１】
2006162638.tif 000023
【図２２】
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