(57)【要約】【課題】本発明は、電磁波が照射されることによって発電する発電素子に関し、照射される電磁波の波長スケールの人工構造の非対称性に基づいて起電力が生じる発電素子を提供することを目的とする。【解決手段】発電素子１は、電磁波ＥＭＷが照射される照射面１１０の面内の一の方向（Ｘ方向）に対して電磁波ＥＭＷの波長スケールの反転非対称形状の導体構造を有するメタ表面１１を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波が照射される照射面の面内の一の方向に対して前記電磁波の波長スケールの反転非対称形状の導体構造を有するメタ表面
を備える発電素子。
【請求項２】
前記メタ表面は、前記電磁波の照射に基づいて前記一の方向に起電力を発生する
請求項１記載の発電素子。
【請求項３】
前記メタ表面は、前記面内で互いに電気的に接続されて複数設けられている
請求項１又は２に記載の発電素子。
【請求項４】
複数の前記メタ表面は、前記一の方向に対して全体で反転非対称形状を有する
請求項３記載の発電素子。
【請求項５】
複数の前記メタ表面は、同一形状を有する
請求項３又は４に記載の発電素子。
【請求項６】
前記メタ表面は、凹部及び凸部の少なくとも一方を有する
請求項１から５までのいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項７】
前記メタ表面は、前記凹部の開口側の周囲で電気的に接続されている
請求項６記載の発電素子。
【請求項８】
前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方は、三角形状を有する
請求項６又は７に記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波が照射されることによって発電する発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属薄膜の回折格子に光を照射すると、光の持つ運動量が自由電子に受け渡されることで電子が移動し、起電力(光誘起起電力)が発生することが知られている（例えば非特許文献１）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】T. Hatano, et al., Optical rectification effect in 1D metallic photonic crystal slabs with asymmetric unit cell. Opt. Express, 16, 8236-8241 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、照射される電磁波の波長スケールの人工構造の非対称性に基づいて起電力が生じる発電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様による発電素子は、電磁波が照射される照射面の面内の一の方向に対して前記電磁波の波長スケールの反転非対称形状の導体構造を有するメタ表面を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の一態様によれば、照射される電磁波の波長スケールの人工構造の非対称性に基づいて起電力を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施形態による発電素子１の概略構成を示す図であって、図１（ａ）は、発電素子１の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中に示すＡ−Ａ線で切断した発電素子１の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による発電素子１の製造工程断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態による発電素子２の概略構成を示す図であって、図３（ａ）は、発電素子２の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中に示すＢ−Ｂ線で切断した発電素子２の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２（サンプルＳＰＬ１）を光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡で観察した写真並びにメタ表面の高さプロファイルを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２（サンプルＳＰＬ２）を光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡で観察した写真並びにメタ表面の高さプロファイルを示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２（サンプルＳＰＬ１）を光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡で観察した写真並びにメタ表面の高さプロファイルを示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２の電磁波透過の角度分解測定する測定系３０の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２の入射光（ｐ偏光）の波長と電磁波スペクトルとの関係を示す図であって、図８（ａ）は図７に示す測定系３０によって得られた実測値であり、図８（ｂ）はシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２の入射光（ｓ偏光）の波長と電磁波スペクトルとの関係を示す図であって、図８（ａ）は図７に示す測定系３０によって得られた実測値を示す図であり、図８（ｂ）はシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２の光誘起起電力を測定するための測定系５０の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２に入射する入射光の入射角と光誘起起電力との関係を示す図であって、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は図１０に示す測定系５０で測定された実測値を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の実施例による発電素子２における光誘起起電力のピーク電圧を波長の関数として記録したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔第１実施形態〕
（発電素子の概略構成）
本発明の第１実施形態による発電素子について図１及び図２を用いて説明する。図１（ａ）中に示す両矢印は、電磁波ＥＭＷのｐ偏光の方向を表し、図１（ｂ）中に示す下向き矢印は、電磁波ＥＭＷの伝搬方向を表している。
図１に示すように、本実施形態による発電素子１は、絶縁性材料（例えばシリカ）で形成された基板１５と、基板１５上に形成されたメタ表面１１とを備えている。メタ表面１１は、電磁波ＥＭＷが照射される照射面１１０の面内の一の方向に対して電磁波ＥＭＷの波長スケールの反転非対称形状の導体構造を有している。ここで、メタ表面とは、当該電磁波の波長スケールでの２次元的パターンをもった、当該電磁波の波長よりはるかに薄い（１０分の一程度）人工構造で、その構造により自然界の物質にはない電磁応答を有するものをいう。メタ表面１１は、凹部及び凸部の少なくとも一方を有しており、本実施形態では三角形状を有する凹部１３を有している。凹部１３は二等辺三角形状を有している。
【０００９】
ここで、照射面１１０の面内の一の方向は、凹部１３の形状である二等辺三角形の底辺に直交する方向であり、図１（ａ）中に示すＸ方向である。図１（ａ）に示すように、凹部１３の頂点に対して底辺が相対的に左側に存在している発電素子１を一の方向（Ｘ方向）に対して反転させると、凹部１３の頂点に対して底辺が相対的に右側に存在することになり、反転前後の発電素子１は重なり合わない。このように、発電素子１は、照射面１１０の面内の一の方向（Ｘ方向）に対して反転非対称な形状を有している。なお、凹部１３の形状は、二等辺三角形に限られず、照射面１１０の面内の一の方向に対して反転非対称な形状であれば、他の形状であってもよい。
【００１０】
発電素子１のメタ表面１１は、例えば正方形状を有している。メタ表面１１の一辺の長さＬ１は例えば３００ｎｍである。また、凹部１３の底辺の長さＢ１は例えば２５０ｎｍである。凹部１３の底辺の中点から頂点までの長さＨ１は例えば２５０ｎｍである。メタ表面１１の膜厚は例えば４０ｎｍである。発電素子１に照射される電磁波ＥＭＷの波長は例えば４５０ｎｍから５３０ｎｍである。このように、メタ表面１１は電磁波ＥＭＷの波長スケールを有している。
【００１１】
可視光に対するメタ表面１１は、例えばアルミニウムで形成されている。メタ表面１１はアルミニウムに限らず導体で形成されていればよい。ここで、メタ表面１１を形成するための導体には、アルミニウムなどの金属の他にドープされた酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明半導体が含まれる。このように、メタ表面１１は導体構造を有している。メタ表面１１では、太陽電池などとは異なり、当該電磁波によって電子正孔対が生成されることは必要ない。
【００１２】
凹部１３は、メタ表面１１を開口して形成されている。凹部１３の底面には基板１５露出している。メタ表面１１は、凹部１３の開口側の周囲で電気的に接続されている。すなわち、凹部１３の周囲は、メタ表面１１が連続して設けられている。また、本実施形態における凹部１３は、凹部１３の開口側の周囲だけでなく、開口側から基板１５の表面までメタ表面１１を形成する導体で囲まれて電気的に接続されている。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、発電素子１に照射される電磁波ＥＭＷは、一の方向（Ｘ方向）に振動する偏波である。本実施形態では、照射面１１０に対する電磁波ＥＭＷの入射角は０°である。つまり、電磁波ＥＭＷは照射面１１０に垂直入射される。電磁波ＥＭＷの照射面１１０に対する入射角は、０°に限られず、例えば−６０°から＋６０°の範囲であってもよい。
【００１４】
メタ表面１１は、電磁波ＥＭＷの照射に基づいて照射面１１０の面内の一の方向に起電力を発生するようになっている。すなわち、メタ表面１１は、導電構造が反転非対称となっている方向に起電力を発生する。起電力は、メタ表面１１に照射される電磁波ＥＭＷの偏光、波長、入射角度に依存する。メタ表面には、光励起の条件に応じて、適当なデザインが存在する。
【００１５】
このように、メタ表面１１の照射面１１０に垂直入射する電磁波ＥＭＷを照射すると発電素子１が起電力を発生するのは、メタ表面１１の非対称形状によって電子が一方向に駆動されるからである。
【００１６】
（発電素子の製造方法）
次に、本実施形態による発電素子の製造方法について図１を参照しつつ図２を用いて説明する。図２は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した発電素子１の断面における製造工程断面図である。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、基板１５上にスパッタリング装置を用いてアルミニウムで形成された導電膜１１ａを形成する。
【００１８】
次に、図２（ｂ）に示すように、導電膜１１ａの全面に超高解像度ポジ型電子線レジストを形成してレジスト膜ＲＦを形成する。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示すように、電子線描画装置を用いて、将来的に凹部１３（図１参照）が形成される位置に凹部１３と同形状の凹部用パターンＰをレジスト膜ＲＦに描画する。
【００２０】
次に、図２（ｄ）に示すように、凹部用パターンＰが形成されたレジスト膜を現像して凹部用パターンＰが除去されたレジストパターンＲＰを形成する。
【００２１】
次に、図２（ｅ）に示すように、イオンリミング装置を用いて、レジストパターンＲＰをマスクとして導電膜１１ａをパターニングする。次いで、レジストパターンＲＰを除去することにより、図１に示す発電素子１が完成する。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態による発電素子１は、電磁波ＥＭＷが照射される照射面１１０の面内の一の方向（Ｘ方向）に対して電磁波ＥＭＷの波長スケールの反転非対称形状の導体構造を有するメタ表面１１を備えている。このような構成を備えた本実施形態によれば、照射される電磁波ＥＷＭの波長スケールの人工構造の非対称性に基づいて起電力を生じさせることができるので、電磁波ＥＭＷの波長スケールの構造を最小単位とした発電素子を提供することができる。また、本実施形態によれば、照射される電磁波を整流することによって発電する素子を提供することができる。
【００２３】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による発電素子について図３から図１２を用いて説明する。本実施形態による発電素子２は、上記第１実施形態による発電素子１をユニットセルとしてこのユニットセルを複数備えている点に特徴を有している。なお、図３（ａ）中に示す両矢印は、電磁波ＥＭＷのｐ偏光の方向を表し、図３（ｂ）中に示す下向き矢印は、電磁波ＥＭＷの伝搬方向を表している。
【００２４】
（発電素子の概略構成）
図３（ａ）に示すように、本実施形態による発電素子２は、上記第１実施形態による発電素子１と同じ構成を有する複数（本例では９個）のユニットセルＵｉｊ（ｉ＝１から３、ｊ＝１から３）を備えている。発電素子２は、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３ごとにメタ表面１１を備えている。発電素子２では、メタ表面１１は、照射面１１０の面内で互いに電気的に接続されて複数設けられている。
【００２５】
より具体的には、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれのメタ表面１１は、例えばアルミニウムで形成されている。このため、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のうち互いに隣り合うユニットセル同士（例えばユニットセルＵ１１及びユニットセルＵ１２）は、直接接触して電気的に接続される。また、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のうち互いに隣り合っていないユニットセル同士（例えばユニットセルＵ１１とユニットセルＵ３３）は、隣り合うユニットセルを順次介して電気的に接続される。
【００２６】
また、発電素子２は、隣り合うユニットセルの間に境界（図３（ａ）では破線で図示されている）を有していない。ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれのメタ表面１１は、上記第１実施形態による発電素子１と同様に、基板１５の全面に一続きの導電膜を形成した後に、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれに凹部１３が設けられるように基板１５上の導電膜をパターニングして形成される。このため、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれのメタ表面１１は、発電素子２の全体で一続きの導電構造となる。
【００２７】
ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれに設けられた凹部１３の形状である二等辺三角形は、同一形状かつ全て同じ方向を向いている。すなわち、ユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれの照射面１１０の面内の一の方向は、全て同方向であり、図３（ａ）中に示すＸ方向である。図３（ａ）に示すように、凹部１３の頂点に対して底辺が相対的に左側に存在している発電素子２のユニットセルＵ１１〜Ｕ３３をそれぞれ一の方向（Ｘ方向）に対して反転させると、凹部１３の頂点に対して底辺が相対的に右側に存在することになり、反転前後のユニットセルＵ１１〜Ｕ３３は、それぞれ重なり合わない。したがって、複数のメタ表面１１は、照射面１１０の面内の一の方向に対して全体で反転非対称形状を有している。上記第１実施形態と同様に本実施形態においても、凹部１３の形状は、二等辺三角形に限られず、照射面１１０の面内の一の方向に対して反転非対称な形状であれば、他の形状であってもよい。
【００２８】
ユニットセルＵ１１〜Ｕ１３は、出力端子２１及び出力端子２３の間で直列に接続されている。ユニットセルＵ２１〜Ｕ２３は、出力端子２１及び出力端子２３の間で直列に接続されている。ユニットセルＵ３１〜Ｕ３３は、出力端子２１及び出力端子２３の間で直列に接続されている。一方、ユニットセルＵ１１，Ｕ２１，Ｕ３１は、出力端子２１及び出力端子２３の間で並列に接続されている。ユニットセルＵ１２，Ｕ２２，Ｕ３２は、出力端子２１及び出力端子２３の間で並列に接続されている。ユニットセルＵ１３，Ｕ２３，Ｕ３３は、出力端子２１及び出力端子２３の間で並列に接続されている。
【００２９】
発電素子２においては、Ｎ列（本実施形態では３列）の直列接続によって電圧がＮ倍になり、Ｍ行（本実施形態では３行）の並列接続によって電流がＭ倍となる。本実施形態による発電素子は、Ｍ行Ｎ列にユニットセルを隙間なく敷き詰めることによって、照射される光を無駄なく利用して発電することができる。
【００３０】
（発電素子の製造方法）
本実施形態による発電素子２の製造方法は、基板１５上に形成された導電膜に、最終的にユニットセルＵ１１〜Ｕ３３のそれぞれの凹部１３を形成するための凹部用パターンを形成する点を除いて、上記第１実施形態による発電素子１の製造方法と同様であるため、説明は省略する。
【００３１】
（実施例）
次に、本実施形態の実施例による発電素子について図４から図１２を用いて説明する。
＜実施例による発電素子の作製＞
実施例による発電素子の作製条件などについて図２を参照しながら説明する。本実施例による発電素子のユニットセルの寸法は、上記第１実施形態による発電素子１と同様である。本実施例では、ユニットセルの配置面積、すなわち発電素子が備えるユニットセルの個数の違いによって、発電素子が発生する起電力が異なるか否かを検討するために３種類のサンプルを作製した。
【００３２】
一辺の長さが１０ｍｍのシリカ基板を洗剤水、超純水、２−プロパノール及び超純水の順に、１５分ずつ超音波洗浄を行った後に、窒素ブローによりこの基板を乾燥させ、乾燥した基板を台座基板にカプトン（登録商標）テープで固定した。水晶振動子を用いて測定したスパッタリング時間を基準に成膜レートを算出し、アルミニウムで形成された導電膜の膜厚が４０ｎｍとなるように成膜した。導電膜（図２（ｂ）に示す導電膜１１ａに相当する）の成膜には、スパッタリング装置（ＥＩＳ−２３０Ｓ（エリオニクス社製））を用いた。形成された導電膜の膜厚は、カプトン（登録商標）テープでマスクした部分と導電膜の表面との段差から計測した。
【００３３】
導電膜が形成された基板を、１８０℃で３分間アニールした後に４インチのシリコン基板に弱粘性両面テープを用いて固定した。シリコン基板に固定された基板に形成された導電膜上に、ＺＥＰ溶液（超高解像度ポジ型電子線レジスト：アニソール＝１：３．５又は１：２）をスピン塗布し、１８０℃、１０分間アニールして塗布膜（図２（ｂ）に示すレジスト膜ＲＦに相当する）を形成した。
【００３４】
電子線描画装置（ＥＬＳ−Ｇ１２５（エリオニクス社製））を用いて、塗布膜に電子ビーム（ＥＢ）描画を行い、将来的に凹部となる形状及び位置に複数の二等辺三角形のパターン（図２（ｃ）に示す凹部用パターンＰに相当する）を描画した。複数の二等辺三角形のパターンが描画された塗布膜が形成された基板を、現像液（ＺＥＤ−Ｎ５０（日本ゼオン社製））とメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）の順に浸漬させることで現像を行い、基板上にレジストパターン（図２（ｄ）に示すレジストパターンＲＰに相当する）を形成した。次いで、窒素ブローにより現像された基板を乾燥させた。
【００３５】
イオンミリング装置（２０ＩＢＥ−Ｃ（伯東社製））を用いて、現像かつ乾燥された基板にアルゴンイオンミリングを行い、凹部１３に対応する箇所の導電膜を除去した。ミリング時間は、サンプルに応じて異ならせ、サンプルＳＰＬ１及びサンプルＳＰＬ２については０．８分、サンプルＳＰＬ３については１分とした。
【００３６】
ミリング後の基板をジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）に浸漬させてレジストパターンを除去し、２−プロパノールに１分間浸漬させてリンスを行い、窒素ブローによりメタ表面が形成された基板を乾燥させた。こうして、３種類のサンプルＳＰＬ１〜ＳＰＬ３が完成した。
【００３７】
＜実施例による発電素子の形状観察＞
図４から図６は、本実施例による発電素子を光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡（Ｓ−ｉｍａｇｅ（セイコーインスツル社製））で観察した写真並びにメタ表面の高さプロファイルを示している。メタ表面の高さプロファイルは、微細形状測定器 (小坂研究所社製)を用いて取得された。図４（ａ）はサンプルＳＰＬ１による発電素子を光学顕微鏡で観察した写真であり、図４（ｂ）はサンプルＳＰＬ１による発電素子原子間力顕微鏡で観察した写真であり、図４（ｃ）はサンプルＳＰＬ１による発電素子のメタ表面の高さプロファイルを示す図である。図５（ａ）はサンプルＳＰＬ２による発電素子を光学顕微鏡で観察した写真であり、図５（ｂ）はサンプルＳＰＬ２による発電素子原子間力顕微鏡で観察した写真であり、図５（ｃ）はサンプルＳＰＬ２による発電素子のメタ表面の高さプロファイルを示す図である。図６（ａ）はサンプルＳＰＬ３による発電素子を光学顕微鏡で観察した写真であり、図６（ｂ）はサンプルＳＰＬ３による発電素子原子間力顕微鏡で観察した写真であり、図６（ｃ）はサンプルＳＰＬ３による発電素子のメタ表面の高さプロファイルを示す図である。
【００３８】
サンプルＳＰＬ１による発電素子は、１５０×６００μｍ２のパターン領域に形成された５００×２０００個のユニットセルで構成されている。
サンプルＳＰＬ２による発電素子は、３００×６００μｍ２のパターン領域に形成された１０００×２０００個のユニットセルで構成されている。
サンプルＳＰＬ３による発電素子は、６００×６００μｍ２のパターン領域に形成された２０００×２０００個のユニットセルで構成されている。
【００３９】
図４（ａ）、図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、サンプルＳＰＬ１〜ＳＰＬ３による発電素子のいずれも、目標どおりの面積に目標どおりのパターンで形成できていることが観察された。図４（ｂ）、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、原子間力顕微鏡による観察像によれば、メタ表面に形成されピッチ３００ｎｍで配列された凹部（底辺Ｌ１及び高さＨ１が２５０ｎｍの二等辺三角形）は、隣り合う凹部がつながることなく形成されていることが観察された。
【００４０】
＜実施例による発電素子の透過測定＞
次に、本実施例による発電素子の電磁波透過の角度分解測定について図７から図９を用いて説明する。
図７に示すように、発電素子の電磁波透過の角度分解測定の測定系３０は、光源としてのハロゲンランプ３１１と、ハロゲンランプ３１１から出射された白色光を結像するための凹面鏡３１３と、凹面鏡３１３からの光を反射して方向をかえる平面鏡３１５とを備えている。さらに、測定系３０は、平面鏡３１５で反射した光が結像する位置においたピンホール３１７と、ピンホール３１７で切り取られたフィラメントの中心部の光をコリメートする凹面鏡３１９と、凹面鏡３１９でコリメートした平行光を反射する平面鏡３２１とを備えている。さらに、測定系３０は、凹面鏡３１９でコリメートされた光から測定対象の発電素子２に照射する電磁波と同じ偏光成分の光を取り出すグラントムソン偏光子３２３と、グラントムソン偏光子３２３で取り出された光のビーム径を制限するピンホール３２５と、ピンホール３２５を通過した光が照射される測定対象の発電素子２とを備えている。さらに、測定系３０は、光軸補正のためのシリカ基板３２７と、シリカ基板３２７で光軸補正された光の透過スペクトルを測定する分光器３２９とを備えている。シリカ基板３２７は、発電素子２に備えられた基板１５と同じ厚さを有する。
【００４１】
ハロゲンランプ３１１が出射する光の波長範囲は４１０ｎｍから６９０ｎｍである。４１０ｎｍから６９０ｎｍの波長範囲の光を−６０°から＋６０°まで１０°刻みで発電素子２を傾けながら発電素子２を透過する透過光の透過スペクトルを測定した。発電素子２をθ°動かした時に、シリカ基板３２７を−θ°だけ動かしながら透過スペクトルを測定した。リファレンスとして、メタ表面１１と同じ材料であるアルミニウムで形成され凹部１３を有していない導電薄膜に光を入射させた時に得られた透過スペクトルを基準とした。
【００４２】
ここで、本実施例による発電素子２のうち、サンプルＳＰＬ３を例にとって発電素子２の透過スペクトルの測定結果について説明する。図８（ａ）及び図９（ａ）は、図７に示す測定系３０を用いて測定されたサンプルＳＰＬ３の発電素子２の透過スペクトルの実測値を示す図である。図８（ｂ）及び図９（ｂ）は、サンプルＳＰＬ３と同じ形状の発電素子の透過スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）及び図９（ａ）において、横軸は、ハロゲンランプ３１１が出射する光の波長、すなわちサンプルＳＰＬ３の発電素子２に照射される電磁波の波長を示している。また、縦軸は、測定系３０に備えられた分光器３２９で測定された透過スペクトルを示している。図８（ｂ）及び図９（ｂ）において、横軸は、シミュレーションに用いた電磁波の波長を示している。縦軸は、発電素子２に入射する電磁波の入射角を示している。
【００４３】
図８（ａ）に示すように、サンプルＳＰＬ３の発電素子２に照射される電磁波の偏光がｐ偏光において、発電素子２に入射する電磁波の入射角度に対して、ディップの位置が推移していく様子が観察されている。図８（ａ）中に示す直線ＬＮ１＋，ＬＮ１−及び直線ＬＮ２＋，ＬＮ２−は、ディップの位置が推移していく様子を示している。直線ＬＮ１＋，ＬＮ１−は、発電素子２に設けられた金属と基板１５の界面における表面プラズモンの励起、直線ＬＮ２＋，ＬＮ２−は、金属と空気の界面における表面プラズモン励起を示すと考えられる。これらの結果は、実測値及びシミュレーション結果が合致しており、作製したサンプルＳＰＬ３の発電素子２がシミュレーションに用いた発電素子のモデル構造と類似していたことを示している。
【００４４】
図９（ａ）に入射角度を０°から６０°までのｓ偏光の場合の透過スペクトルを示す。ｐ偏光の場合と異なり、ｓ偏光では、表面プラズモンの励起を伴わないため、透過スペクトルは明確な構造を欠いたものとなっている。
【００４５】
＜実施例による発電素子の光誘起起電力＞
次に、本実施例による発電素子の光誘起起電力（ＰＩＶ）について図１０から図１２を用いて説明する。
光誘起起電力の測定が可能な形態に作成された発電素子２は、図１０に示す光誘起起電力（ＰＩＶ）を測定する測定系５０にセットアップされる。図１０に示すように、測定系５０は、光源としてのナノ秒パルスＹＡＧレーザ５１１と、ＹＡＧレーザ５１１が出力するレーザの三倍波によって励起され測定に必要な波長の光を出力する光パラメトリック共振器５１３と、光パラメトリック共振器５１３から出力された光を反射するプリズム５１５とを備えている。さらに、測定系５０は、プリズム５１５で反射されたレーザを遮断するシャッタ５１７と、シャッタ５１７を透過した光を反射する平面鏡５１９と、平面鏡５１９が反射したパルス光が通過するピンホール５２１とを備えている。さらに、測定系５０は、波長によって異なる光パラメトリック共振器５１３の光強度を一定にするために組み合わされた１／２波長板５２３及びグランテーラー偏光子５２５と、測定対象の発電素子２に照射する偏光の状態を制御するための１／２波長板５２７とを備えている。１／２波長板５２３の角度は、入射する光の波長ごとにプログラムによって調整される。
【００４６】
さらに、測定系５０は、１／２波長板５２７を通過したパルス光が通過するピンホール５２９と、ピンホール５２９を通過したパルス光が照射される測定対象の発電素子２と、発電素子２から出力される信号を増幅する高速前置増幅器５３１と、高速前置増幅器５３１で増幅された信号を観測するデジタルオシロスコープ５３３と、デジタルオシロスコープ５３３で観測されたデータを記録したり処理したりするパーソナルコンピュータ５３５とを備えている。発電素子２に入射されるパルス光の波長は４５０ｎｍから５３０ｎｍである。発電素子２は、入射光に対して−６０°から＋６０°まで１°刻みで入射角を変更できるように回転可能なステージに固定されている。高速前置増幅器５３１は、発電素子２から入力される信号を１２５倍に増幅するようになっている。
【００４７】
ここで、本実施例による発電素子２のうち、サンプルＳＰＬ１を例にとって発電素子２の角度分解の光誘起起電力の測定結果について説明する。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、入射角と光誘起起電力との関係を発電素子２に入射されるパルス光の波長をパラメータとして示す図である。図１１（ａ）はｐ偏光の入射光での特性を示し、図１１（ｂ）はｓ偏光の入射光での特性を示している。横軸は入射角を示し、縦軸は光誘起起電力を示している。
【００４８】
図１１（ａ）に示すように、ｐ偏光について、長波長になるにつれて、極値が高角度側へ遷移する様子が観察された。一方、図１１（ｂ）に示すように、ｓ偏光では入射角度の正負に関わらず、測定した波長範囲では負の起電力を示した。
【００４９】
図１２は、サンプルＳＰＬ１の発電素子２における垂直入射における光誘起起電力のピーク電圧を波長の関数として記録したグラフである。横軸は、入射光の波長を示し、縦軸は光誘起起電力を示している。光誘起起電力の測定は図１０に示す測定系５０が用いられた。また、パルス光の強度は０．１４ＭＷ／ｃｍ２であった。
【００５０】
図１２に示すように、底辺中央から頂点に向かう方向をｘ軸正方向としたとき、ｘ偏光及びｙ偏光励起に対する光誘起起電力の正負についてはｘ軸正方向に電圧が発生した場合を正とした。曲線Ｃｘで示すように、ｘ偏光励起では４５０ｎｍから４９０ｎｍにおいて正の起電力が発生している。一方、曲線Ｃｙで示すように、ｙ偏光励起では４５０ｎｍから４９０ｎｍの波長域において負の起電力が観測された。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態による発電素子２は、上記第１実施形態による発電素子１と同じ形態のユニットセルを複数備えている。これにより、本実施形態による発電素子は、光の入射に基づいてより高い電圧、より大きな電流で発電することができる。また、本実施形態による発電素子２は、上記第１実施形態による発電素子１と同じ形態のユニットセルを備えているため、発電素子１と同様の効果が得られる。
【００５２】
上記の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１，２  発電素子
１１  メタ表面
１１ａ  導電膜
１３  凹部
１５  基板
２１，２３  出力端子
３０，５０  測定系
１１０  照射面
３１１  ハロゲンランプ
３１３，３１９  凹面鏡
３１５，３２１，５１９  平面鏡
３１７，３２５，５２１，５２９  ピンホール
３２３  グラントムソン偏光子
３２７  シリカ基板
３２９  分光器
５１１  ＹＡＧレーザ
５１３  光パラメトリック共振器
５１５  プリズム
５１７  シャッタ
５２３  １／２波長板
５２５  グランテーラー偏光子
５２７  １／２波長板
５３１  高速前置増幅器
５３３  デジタルオシロスコープ
５３５  パーソナルコンピュータ
Ｐ  凹部用パターン
ＲＦ  レジスト膜
ＲＰ  レジストパターン
Ｕ１１〜Ｕ３３，Ｕｉｊ  ユニットセル
【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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