(57)【要約】      （修正有）【課題】照明及び表示技術に対して、例えば光源の指向性または拡散率は、視野角やプライバシー等の利便性に影響を与え、種々の照明条件下で使用者の快適性に影響する。そのような用途固有の必要性を満たす量子ドットデバイスを含む改善した発光構造体を提供する。【解決手段】一態様において、中に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を備える光子結晶を含む構造体が提供される。更なる態様において、誘電層内部の異なる深さに、第１及び第２の組の発光ナノ構造材料を含む誘電層を備える構造体が提供される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電層内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む前記誘電層を備える光子結晶を含む構造体であって、
前記構造体が、垂直に積重した、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が、内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を含み、前記光子結晶が、第１の方向での第１の周期性を含む第１の領域、及び第１の方向と異なる第２の方向での第２の周期性を含む、構造体。
【請求項２】
中に発光ナノ構造材料を含む誘電層を備え、
発光ナノ構造材料の第１の組が、前記誘電層の第１の深度に位置付けられ、発光ナノ構造材料の第２の組が、前記誘電層の前記第１の深度とは異なる第２の深度に位置付けられる、構造体であって、
前記構造体が光子結晶を含み、前記構造体が、垂直に積重した、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が、内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を含み、前記光子結晶が、第１の方向での第１の周期性を含む第１の領域、及び第１の方向と異なる第２の方向での第２の周期性を含む、構造体。
【請求項３】
中に発光ナノ構造材料を含む誘電層を備え、
発光ナノ構造材料の第１の組の層が、単一の誘電層の第１の深度に位置付けられ、発光ナノ構造材料の第２の組の層が、前記単一の誘電層の前記第１の深度とは異なる第２の深度に位置付けられる、構造体であって、
放射波長が、前記発光ナノ構造材料の第１の組と第２の組との間で異なる、構造体。
【請求項４】
中に発光ナノ構造材料を含む誘電層を備え、
発光ナノ構造材料の第１の組が、前記誘電層の第１の深度に位置付けられ、発光ナノ構造材料の第２の組が、前記誘電層の前記第１の深度とは異なる第２の深度に位置付けられる、構造体であって、
前記構造体が光子結晶を含み、前記構造体が、垂直に積重した、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が、内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を含み、前記光子結晶が、第１の方向での第１の周期性を含む第１の領域、及び第１の方向と異なる第２の方向での第２の周期性を含み、
放射波長が、前記発光ナノ構造材料の第１の組と第２の組との間で異なる、構造体。
【請求項５】
誘電層内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む前記誘電層を備える光子結晶を含む構造体であって、単一の誘電層内に複数のナノ構造材料層を含む、構造体であって、
前記構造体が、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が誘電層内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む前記誘電層を備える、構造体。
【請求項６】
中に発光ナノ構造材料を含む誘電層を備え、
発光ナノ構造材料の第１の組の層が、単一の誘電層の第１の深度に位置付けられ、発光ナノ構造材料の第２の組の層が、前記単一の誘電層の前記第１の深度とは異なる第２の深度に位置付けられる、構造体であって、
前記構造体が、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が誘電層内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む前記誘電層を備える、構造体。
【請求項７】
前記発光ナノ構造材料が前記誘電層内部に埋め込まれている、請求項１または２に記載の構造体。
【請求項８】
前記誘電層が金属酸化物を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項９】
前記ナノ構造材料が量子ドット、蛍光染料、または蛍光物質を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１１】
前記構造体が、発光デバイス、光検出デバイス、化学センサ、光起電力デバイス、蛍光バックライトフィルム、ダイオード、トランジスタ、生物センサ、または病理学的検出器を提供する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１１】
光子結晶系を形成する方法であって、
１つ以上の誘電材料と共に配置される１つ以上の発光ナノ構造材料を有する層を、基材表面上に適用することを含む、方法であって、
前記構造体が、垂直に積重した、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が、内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を含み、前記光子結晶が、第１の方向での第１の周期性を含む第１の領域、及び第１の方向と異なる第２の方向での第２の周期性を含む、方法。
【請求項１２】
１）誘電材料が前記基材上に適用され、２）１つ以上のナノ構造材料が、前記適用された誘電材料上に適用され、３）誘電材料が前記適用されたナノ構造材料上に適用される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
構造体を形成する方法であって、
誘電表面を有する基材を、１つ以上のナノ構造材料を含む組成物で浸漬コーティングすることを含み、
前記構造体または光子結晶系が、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が、内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を含む、方法。
【請求項１４】
前記浸漬コーティング後に、誘電材料を前記基材に適用することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記構造体が光子結晶である、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
構造体を形成する方法であって、
誘電表面を有する基材を、１つ以上のナノ構造材料を含む組成物で浸漬コーティングすること、前記浸漬コーティング後に誘電材料を前記基材に適用することを含み、前記構造体が、単一の誘電層内に複数のナノ構造材料層を含む、方法。
【請求項１７】
前記構造体が光子結晶である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記構造体または光子結晶系が、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を含み、各光子結晶構造体が、誘電層内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む前記誘電層を備える、請求項１６または１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一態様において、今回我々は、１つ以上の発光ナノ構造材料を中に含む誘電層を備える光子結晶を備える構造体を提供する。更なる態様において、誘電層内部の異なる深さに、第１及び第２の組の発光ナノ構造材料を含む誘電層を備える構造体が提供される。
【背景技術】
【０００２】
家庭、職場、及び消費者製品で使用される照明及び表示技術に対して広範囲に渡る用途固有の必要性が存在する。照明及び表示用途は、色純度とそれらの出力の光学的特性の調整された制御とを必要とする。例えば、光源の指向性または拡散率は、種々の照明条件下で使用者の快適性に影響を与え、表示部からの光出力の方向性は、視野角に影響を与え、群に対するプライバシーまたは利便性のいずれかを可能にする。
【０００３】
量子ドットを含有する光子発光デバイスは、特定の総スペクトル出力を操作するために組み合わせられ得る、それらの高い量子効率、光退色の欠如、及び多くの放射波長の可用性のために、照明及び映像表示における用途に関して重要性を増している。
【０００４】
改善した量子ドットデバイスを含む改善した発光構造体を有することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
今回我々は新たな発光構造体及びデバイス、ならびにかかる構造体及びデバイスを作成する方法を提供する。
【０００６】
一態様において、今回我々は、１つ以上の発光ナノ構造材料を中に含む誘電層を備える光子結晶を備える構造体を提供する。好ましい態様において、光子結晶は、効果的なコントラストを提供することができる、異なる（例えば相対的により高いまたはより低い）屈折率の材料の周期的変化を含む。
【０００７】
更なる態様において、中に発光ナノ構造材料を含む誘電層を備える構造体が提供され、発光ナノ構造材料の第１の組が、誘電層の第１の深度に位置付けられ、発光ナノ構造材料の第２の組が、第１の深度とは異なる誘電層の第２の深度に位置付けられる。ある特定の実施形態において、放射波長は、発光ナノ構造材料の第１の組と第２の組との間で好適に異なり得る。したがって、ある特定の実施形態において、発光ナノ構造材料の第１及び第２の組は、異なる組成物である。ある特定の好ましい実施形態において、ナノ構造材料の第１及び第２の組は、発光ナノ構造材料を有しないか、または少なくとも実質的に有しない、誘電層の厚さ（例えば１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍの厚さまたはそれ以上）により分離される。挿入する誘電材料は、少なくとも実質的に発光ナノ構造材料を有さず、挿入する誘電材料は、発光ナノ構造材料の第１の組または発光ナノ構造材料の第２の組を含有する、隣接する領域の同じ体積で存在するナノ構造材料よりも、所与の体積において少なくとも２５、５０、７５、または１００重量パーセント少ないナノ構造材料を含有する。
【０００８】
好ましい系において、ナノ構造材料は誘電材料層内部に埋め込まれる。本明細書で参照される場合、ナノ構造材料の各表面が異なる誘電材料と接触しているとき、ナノ構造材料は、誘電層内部に埋め込まれると見なされ得る。
【０００９】
我々はまた、光子結晶の誘電層内部の、ナノ構造材料の所望の配置を含む方法を提供する。具体的には、本発明の系及び方法は、量子ドットなどのナノ構造材料を、光子結晶構造体の光学定常波モードの空間体積内部に含まれる、高い屈折率の誘電膜層の画定された断面内へ組み込むことを備える。光子結晶の誘電層内部の量子ドットなどの、ナノ構造材料の標的配置において、ナノ構造材料は、それらの電子基底状態からの励起のためのより強い電界を経験することができ、光子結晶厚板状表面に対して垂直の方向において、最も効率的なそれらの放射の励起を可能にする。
【００１０】
具体的には、我々は比較的平坦な構造体（光子結晶ではない）に対する誘電層内部に埋め込まれた量子ドットを有する光子結晶の量子ドット放射における、実質的な増加（３〜５倍の増加を含む）を発見した。非正常な出力角度のためのより強い放射の増加（例えば、最大で８倍の増加）でさえも、比較的平坦な構造体（光子結晶ではない）に関して埋め込まれた量子ドットを有する本発明の光子結晶のために、観察された。
【００１１】
概して光子結晶系を提供するための本発明の好ましい方法は、基材表面上に１つ以上の誘電材料内部に配置される１つ以上の発光ナノ構造材料を有する層を適用することを含む。一つの好ましい態様において、１）誘電材料が基材上に適用され、２）１つ以上のナノ構造材料が適用された誘電材料上に適用され、３）誘電材料が適用されたナノ構造材料に適用される。
【００１２】
本発明の特に好ましい方法は、誘電膜上への１つ以上のナノ構造材料の浸漬または浸しコーティング適用を含む。ナノ構造材料の液体組成物の、かかる浸漬または浸しコーティングが、ナノ構造材料の単層−スケール層を提供できることが発見された。
【００１３】
一次元、二次元、及び他の複数次元の光子結晶構造体を含む種々の構造体及びデバイスが、本発明に従って提供され得る。例えば、一態様において、本発明の構造体は、誘電層（例えば金属酸化物）を備える光子結晶を含み得、かかる誘電層内部に１つ以上の発光ナノ構造材料が埋め込まれ、光子結晶は、１）第１の方向での第１の周期性を含む第１の領域、及び２）第１の方向と異なる第２の方向での第２の周期性を含む。
【００１４】
本明細書で提供される構造体及びデバイスはまた、一緒に入れ子になった複数の構造体、例えば垂直に積重した及び／または側方に交互配置した、同じかもしくは異なる光子結晶を含み得る複数の構造体を含み得る。かかる構造体、デバイス、または光子結晶系は、一緒に入れ子になった複数の光子結晶構造体を好適に含み得、各光子結晶構造体は、内部に１つ以上の発光ナノ構造材料を含む誘電層を備える。かかる構造体、デバイス、または光子結晶系は、異なるナノ構造材料を、１つ以上の誘電層内部の異なる深さに好適に提供し得る。
【００１５】
ある特定の態様において、本発明の好ましい構造体が、例えば４０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００パーセントまたはそれ以上、制御構造体に関して増加する出力放射を提供することができる。制御構造体は本発明の構造体に相当し、同じ誘電層及び本発明の構造体として発光ナノ構造材料を含有するが、制御構造体は平坦な構造体（光子結晶ではない）である。
【００１６】
好ましい方法において、ポリマー層が、成形マスター基材上に堆積され得、光子結晶のための周期的パターンを含むデバイス特性を画定する。かかる成形基材上の堆積後、ポリマー層は基材から除去され得、除去されたポリマー層は別個の基材へと移される。好適に、成形基材または他の基材上への堆積後、ポリマー層は熱処理などによって硬化され得る。
【００１７】
１つ以上のナノ構造材料が種々の構造体位置内部に位置付けられ得る。好適に、１つ以上のナノ構造材料が、構造体の屈折率差界面に対して近位に位置付けられ得、それにより効果的な放射出力を提供する。
【００１８】
本発明はまた、種々の発光デバイス、光検出器、化学センサ、光起電力デバイス（例えば太陽電池）、トランジスタ及びダイオード、生物センサ、病理学的検出器、ならびに本明細書に開示される系を含む生物学的に活性な表面を含む、本明細書に開示される方法により得られるか、または得ることができるデバイスを提供する。
【００１９】
本明細書で参照される場合、ナノ構造材料としては、数ある中でも、量子ドット材料、ならびに制限なく、ナノ結晶質ナノ粒子、染料、及び蛍光物質が挙げられる。
【００２０】
本明細書で使用される場合、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」という用語は、文脈がそうではないことを明確に示さない限り、複数形変形を含む。したがって、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は各々、文脈がそうではないことを明確に示さない限り、「１つ以上の」を指す。
【００２１】
具体的に記載されているか、または文脈から明らかでない限り、本明細書で使用される場合、「または（ｏｒ）」という用語は包括的であると理解される。
【００２２】
本発明の他の態様は、以下に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に従う例示的なデバイスを示す。
【図２】本発明に従う例示的なデバイスを示す。
【図３】本発明に従う例示的なデバイスを示す。
【図４】本発明に従う例示的なデバイスを示す。
【図５】本発明に従う例示的なデバイスを示す。
【図６（ａ）】以下に示される実施例１のデバイスの種々の描写を示す。図６（ａ）は、以下に示され、ｘ及びｙ方向での異なる光子結晶（ＰＣ）周期を有する２つの交互配置した領域を示す実施例１のデバイス構造体の上面図である。
【図６（ｂ）】以下に示される実施例１のデバイスの種々の描写を示す。図６（ｂ）は、ＴｉＯ２誘電層に埋め込まれた量子ドット（ＱＤ）を有する光子結晶（ＰＣ）の横断面概略図である。
【図６（ｃ）】以下に示される実施例１のデバイスの種々の描写を示す。図６（ｃ）は、λ＝６１５ｎｍで、ＱＤ放射を増強するように設計されたＰＣ領域の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）画像である。
【図６（ｄ）】以下に示される実施例１のデバイスの種々の描写を示す。図６（ｄ）は、λ＝６１５ｎｍ（左）及びλ＝５５０ｎｍ（右）で、ＰＣのためにモデル化された電界強度を示し、電界内部のＱＤの波長及び位置の両方が、増強条件に影響を与えるであろうことを図示している。
【図６（ｅ）】以下に示される実施例１のデバイスの種々の描写を示す。図６（ｅ）は、チェッカーボードＰＣ構造体内に埋め込まれたＱＤの写真であり、橙色の位置は増強された放射領域（領域１）を示す一方で、領域２及び周囲のバルク面積内のＱＤ放射は増強されていない。
【図７】製作の種々の段階でのＰＣの正規化した伝送効率スペクトル、及びチェッカーボードデバイスの５０％有効な面積のために正規化したモデル化された伝送スペクトルを示す。最も大きい浸漬は共振モードであり、それはＱＤ放射と連結するように意図されるが、追加の共振が構造体内に存在し、伝送スペクトル内のより浅い浸漬として観察される。ＱＤ層の追加は、モデル化された結果と比較したとき、λ＝２０〜２５ｎｍの共振変化及び誘電層内部の連続的な電界の妨害をもたらし、最終デバイス構造体の計測された共振条件における変化の原因となる。
【図８】同一の製作ステップで、平坦な構造体と比較したとき、λ＝６１５ｎｍでの、ＱＤ放射のＰＣ増強された出力を示す。構造体内のＱＤ層の位置は、計測した放射の強度及び角出力の両方に影響を与える。最も大きい増強は、ｈ＝６０ｎｍで、ＴｉＯ２層内部に埋め込まれたＱＤのために発生したが、しかしながら直角入射での増強要因のみは、ｈ＝９０ｎｍで発生した。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
我々はここで、光子結晶の誘電層内部の量子ドットが、ナノ構造材料の放射を増強できることを含む、ナノ構造材料の堆積を実証する。したがって、例えば、以下に示される実施例に示されるように、量子ドットの液相適用は、誘電膜層内部の量子ドットの標的深さ配置を可能にすることができる。量子ドットの増強された放射は、誘電膜内部の特定の深さでの量子ドットの配置により、達成され得る。誘電体内部に埋め込まれた半電導性材料が、共振モードとのその空間的重なりを変化させるように、光子結晶において、誘電層内部の量子ドットの深さが光子結晶の共振波長及び放射増強効率を変調することが発見された。
【００２５】
好ましい構造体は、もう１つの埋め込まれたナノ構造材料を含む隣接するかまたはオーバーコーティングされた誘電層を有する、第１の基材層（例えばガラス、ポリマー、または他の材料の層）を含み得る。第１の層及び誘電層は、効果的なコントラストを提供するように、異なる屈折率を好適に有する。上述のように、好ましい態様において、光子結晶は、効果的なコントラストを提供することができる、異なる（相対的により高い及びより低い）屈折率の材料の周期的変化を含み得る。
【００２６】
ここで図面を参照すると、図面の図１はデバイスまたは基材１１上にポリマー層１２を含む構造体１０の概略図である。層１２は、成形基材から好適に複製成形される。誘電材料層１４は、発光量子ドットなどのナノ構造材料１６と共に埋め込まれる。上述のように、ナノ構造材料は、ナノ構造材料の各表面が異なる誘電材料と接触しているとき、誘電層内部に埋め込まれていると見なされ得る。例えば、ナノ構造材料は、少なくとも０．２、０．５、または１ｎｍの厚さの誘電材料（例えばＴｉＯ２などの金属酸化物）でコーティングされ得る。
【００２７】
層１４は、層１２に関する屈折率差を提供し、それにより効果的なコントラストを提供する。したがって、層１４は層１２の屈折率よりも低い屈折率を有し得るか、または層１４は層１２の屈折率よりも高い屈折率を有し得る。少なくともある特定の用途について、層１４のために好ましい材料としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）または他の好適な高い屈折率の無機酸化物が挙げられる。好適な誘電体としては、例えば金属酸化物、関連する硫黄及び／またはセレン材料が挙げられる。層１４は、コーティング（例えば、スピンコーティング、スプレーコーティング、浸漬コーティング）、スパッタリング、またはポリマー層１２のパターン化を妨げることなく材料の層をポリマー層上に堆積させるための他の方法により、堆積され得る。層１４の厚さは、周期的陥凹の共振波長を調整するために使用され得る。層１４がＴｉＯ２であるとき、好適な厚さは約５０ｎｍ〜約５００ｎｍである。
【００２８】
図１に示される光源１８（また、光源１８として図２〜５の各々にも示される）は、ＬＥＤを含む、紫外線（ＵＶ）または例えば、２００ｎｍ＜λ＜７００ｎｍの範囲の可視光の、任意の好適な光源であり得る。
【００２９】
基材１１は、任意の剛性または可塑性材料で作成され得、所望の波長範囲内で光学的に透明である材料が好適である。例えば、基材は、ガラス、セルロースアセテート、またはポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン等のポリマー材料で作成され得る。基材は、任意の好適な厚さ、例えば１ミクロン〜１ｍｍの厚さを有することができる。
【００３０】
層１２のポリマーのうちの１つ以上は、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン等を含む、任意の好適なポリマー材料から選択され得る。好ましいポリマー材料としては、ラウリルメタクリレート（ＬＭＡ）、エチルグリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭＡ）及びそれらの混合物が挙げられる。ポリマー層は、ＮＯＡ  ６１（Ｎｏｒｌａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）などの光学的に透明な接着剤で、基材と随意に接着され得る。
【００３１】
光子結晶構造体を提供するために、デバイスはポリマー層、基材層、及び／または誘電層を含む周期的パターンを含むことができる。
【００３２】
したがって、ポリマー層１２は好適にパターン化され得、例えば層１２は複数の陥凹１２’を含み得る。本明細書で参照される場合、陥凹は線状プリズム、引き延ばされた隆起、及び線状格子などの種々の構成を有する周期的構造体を含むことができる。パターン化領域において、好ましくは、複数の陥凹は、周期性、例えば、複数の陥凹が均等に離間されているかまたは表面上の規定寸法に沿った、他の規則的または反復する配置を有する。複数の陥凹が、例えば、ポリマー溶液をパターン化マスターテンプレート上にコーティングすることにより、ポリマー層と一体形成され得る。代替として、複数の陥凹は、まず、実質的に平らであるかまたは平坦なポリマー層を基材上に形成し、次いで、例えばパターン化された金型で圧縮成形することによって、ポリマー層をパターン化することにより形成され得る。更なる代替として、隆起、小型レンズ、ピラミッド、台形、円形状または正方形状の柱、もしくは曲線の辺を有する錐体構造体（例えば、米国特許出願第２０１０／０１２８３５１号を参照）などのミクロ構造体は、ポリマー層表面上の材料の堆積により、ポリマー層上に形成または適用され、これによりポリマー層上に複数の陥凹を画定する。
【００３３】
陥凹は、基材に適用された層上内の基材と、好適に一体形成され得る。例えば、陥凹は、コーティング層を基材に適用し、その後適用した層をパターン化することによって基材上に形成され得る。
【００３４】
誘電層の各部分の厚さ（図１で１４ａ及び１４ｂとして例示される）は、好適に変化することができる。かかる誘電層部分の各々の厚さ（図１で１４ａ’、１４ｂ’として示される）は、異なり得、挿入するナノ構造材料層１６の増強された放射のために選択され得る。例えば、ナノ構造材料層１６は、誘電層部分１４ａの厚さ１４ａ’を選択することによって、ポリマー層１２からの距離１７ａに位置付けられ得る。選択された誘電層部分の厚さの正確な堆積は、スパッタリングを含む、種々の適用技術により達成され得る。
【００３５】
下にある基材表面の間の、例示的で好適な誘電層部分の厚さ（ポリマー層１２の表面１２’’とナノ構造材料層１６との間の厚さなど）は、好適に幅広く変化し得、例えば約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、より典型的には約２または３ｎｍ〜約１００、１５０、もしくは２００ｎｍを含む。
【００３６】
ナノ構造材料層１６と誘電層の頂部表面１４’との間の、例示的で好適な頂部誘電層部分の厚さ１４ｂ’はまた、好適に幅広く変化し得、例えば約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、より典型的には約２または３ｎｍ〜約１００、１５０、もしくは２００ｎｍを含み得る。
【００３７】
図面の図２は、基材１１上にポリマー層１２を含む本発明の別のデバイスまたは構造体を示す。層１２は、好適に、成形基材上に複製成形される。誘電材料層１４は、発光量子ドットなどのナノ構造材料１６と共に埋め込まれる。図１に示されるデバイスに関して論じられるように、層１４は、層１２に関する屈折率差を提供し、それにより効果的なコントラストを提供する。したがって、層１４は層１２の屈折率よりも低い屈折率を有し得るか、または層１４は層１２の屈折率よりも高い屈折率を有し得る。少なくともある特定の用途について、層１４のための好ましい材料としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）または他の好適な高い屈折率の無機酸化物が挙げられる。
【００３８】
例えば、ナノ構造材料層が誘電層１４内部の深さ配置で異なる場合、及び／または層内部に存在する種類または混合ナノ構造材料がデバイスの複数の領域間で異なる場合、図２のデバイス１０は、１つ以上の箇所で異なる複数のナノ構造材料１６ａ及び１６ｂを有するナノ構造材料層を有する、複数の領域（Ａ及びＢとして例示される）を有する。例えば、図２で例示されるデバイスにおいて、領域Ａ（すなわちハッシュ化された垂直線まで延在するデバイスの左側）は、図２に示される深さ１６ａ（すなわち誘電層１４から層１６ａまでの厚さ）に位置付けられる、ナノ構造材料の第１の種類（例えば、赤色発光量子ドット）を有し得る。領域Ｂ（すなわちハッシュ化された垂直線まで延在するデバイスの左側）において、領域Ａのナノ構造材料の第１の組とは異なり、図２に示される深さ１６ｂ（すなわち誘電層１４から層１６ｂまでの厚さ）に位置付けられる、ナノ構造材料（例えば青色発光量子ドット）の第２の種類を有し得る。
【００３９】
図２に示される、かかる複数の領域構成により、異なるナノ構造材料は、ナノ構造材料の最適な出力を提供するために誘電層内部で選択的に位置付けられ得る。図２の構成が、誘電層内部の異なる深さに、第１及び第２のナノ構造材料を含む誘電層を提供することもまた理解され得る。第１及び第２のナノ構造材料は、好適に同じであるかまたは異なり得る。
【００４０】
図３は、複数のデバイスまたは構造体１０及び２０が一緒に入れ子になった、描写されるように特に垂直に積重した、別の好適な構成を例示する。図３において、デバイス１０は、上に陥凹１２’を有するコーティングされたポリマー層１２がある、基材層１１を含む。誘電層１４（例えば、ＴｉＯ２または所望の屈折率差を提供するための他の金属酸化物などの、他の好適な材料を含む層）が、ポリマー層１２上にコーティングされる。量子ドットなどのナノ構造材料１６は、図１及び２に関して上で開示される手順により、誘電層１４内部に好適に埋め込まれる。次いで、デバイス２０の基材２１は、誘電層１４を覆い、デバイス２０のポリマー層２２が続き、次いで、誘電層２４（例えば、ＴｉＯ２または所望の屈折率差を提供するための他の金属酸化物などの他の好適な材料を含む層）が陥凹２２’を有するポリマー層２２上にコーティングされる。量子ドットなどのナノ構造材料２６は、図１及び２に関して上で開示される手順により、誘電層２４内部に好適に埋め込まれる。
【００４１】
理解されるように、追加のデバイスまたは構造体は、図３に描写されたものと一緒に入れ子にされ得、例えば図３に描写される例示的なデバイスに対して、側方及び／または更に垂直のいずれかで隣接しているデバイスを入れ子にする。
【００４２】
図４は、複数のデバイスまたは構造体１０及び２０は、特に描写されたように交互配置した側方に、一緒に入れ子にされる、別の好適な構成を例示する。図４において、デバイス１０は、上に陥凹１２’を有するコーティングされたポリマー層１２がある、基材層１１を含む。誘電層１４（例えば、ＴｉＯ２または所望の屈折率差を提供するための他の金属酸化物などの、他の好適な材料を含む層）が、ポリマー層１２上にコーティングされる。量子ドットなどのナノ構造材料１６は、図１及び２に関して上で開示される手順により、誘電層１４内部に好適に埋め込まれる。デバイス２０の基材２１は、デバイス１０の基材１１と好適に側方に接するが、基材２１がデバイス１０のポリマー層１２と接しているような、他の配置もまた好適である。図４に示されるように、好適に重なる基材２１は、陥凹２２’を有するポリマー層２２であり、次いで誘電層２４（例えば、ＴｉＯ２または所望の屈折率差を提供するための他の金属酸化物などの他の好適な材料を含む層）がポリマー層２２上にコーティングされる。量子ドットなどのナノ構造材料２６は、図１及び２に関して上で開示される手順により、誘電層２４内部に好適に埋め込まれる。
【００４３】
図３及び４の構成が、誘電層内部の異なる深さに、第１及び第２のナノ構造材料を含む誘電層を提供することもまた理解され得る。第１及び第２のナノ構造材料は、好適に同じであるかまたは異なり得る。
【００４４】
図面の図５は、単一の誘電層内に複数のナノ構造材料層を含む、本発明の別の例示的なデバイスまたは構造体を示す。図５に示されるように、デバイス構造体１０は、基材１１上にポリマー層１２を含む。層１２は、好適に、成形基材上に複製成形される。
【００４５】
誘電材料層１４は、発光量子ドットなどのナノ構造材料１６ａ、１６ｂと共に埋め込まれる。図１〜４に例示される構造体と同様に、図５内の層１４は、層１２に関する屈折率差を提供し、それにより効果的なコントラストを提供する。したがって、層１４は層１２の屈折率よりも低い屈折率を有し得るか、または層１４は層１２の屈折率よりも高い屈折率を有し得る。少なくともある特定の用途について、層１４のために好ましい材料としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）または他の好適な高い屈折率の無機酸化物が挙げられる。再び、層１４は、コーティング（例えば、スピンコーティング、スプレーコーティング、浸漬コーティング）、スパッタリング、またはポリマー層１２のパターン化を妨げることなく材料の層をポリマー層上に堆積させるための他の方法により、堆積され得る。層１４の厚さは、周期的陥凹の共振波長を調整するために使用され得る。層１４がＴｉＯ２であるとき、好適な厚さは約５０ｎｍ〜約５００ｎｍである。光源１８は、好適なＬＥＤであり得る。基材１１は、上述したような、任意の剛性または可塑性材料で作成することができる。上述したような、層１２のポリマーのうちの１つ以上はまた、任意の好適なポリマー材料から選択され得る。ポリマー層１２は、好適にパターン化され得、例えば層１２は複数の陥凹１２’を含み得る。
【００４６】
誘電層の各部分の厚さ（図５で１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃとして例示される）は、好適に変化することができる。各かかる誘電層部分の厚さ（図５で、１４ａ’、１４ｂ’、１４ｃ’として示される）は、異なり得、挿入するナノ構造材料層の放射（図５で、１６ａ、１６ｂとして例示される）を増強するために選択される。例えば、ナノ構造材料層１６ａは、誘電層部分１４ａの厚さ１４ａ’を選択することにより、ポリマー層１２からの距離１７ａに位置付けられ得る。同様に、ナノ構造材料層１６ｂは、誘電層部分１４ａ及び１４ｂの厚さ１４ａ’及び１４ｂ’を選択することにより、ポリマー層１２からの距離１７ｂに位置付けられ得る。選択された誘電層部分の厚さの正確な堆積は、スパッタリングを含む、種々の適用技術により達成され得る。
【００４７】
下にある基材表面の間の、例示的で好適な誘電層部分の厚さ（ポリマー層１２の表面１２’’とナノ構造材料層１６との間の厚さなど）は、好適に幅広く変化し得、例えば約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、より典型的には約２または３ｎｍ〜約１００、１５０、もしくは２００ｎｍを含む。
【００４８】
デバイスが、図５の例示的なデバイス１０に示されるような複数のナノ構造材料層を含む場合、複数のナノ構造材料層１６ａ及び１６ｂが、好適に、所望の通りに離間される。連続的なナノ構造材料層（すなわち、図５を参照して、ナノ構造材料層１６ａと１６ｂとの間の厚さ１４ｂ’）の間の、例示的で好適な誘電層部分の厚さは、好適に幅広く変化し得、例えば約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、より典型的には約２または３ｎｍ〜約１００、１５０、もしくは２００ｎｍを含む。
【００４９】
ナノ構造材料層の堆積後（例えば１６ａ）、更なる誘電材料層１４ｂが、かかるスパッタリング、スピンコーティング、または他の技術などで好適に適用され、スパッタリングでの適用が多くの場合好まれる。論じたように、その後、量子ドットなどのナノ構造材料の１つ以上の追加の層が、図５でナノ構造材料層１６ｂにより例示されるように、連続的に適用され得る。誘電材料は、各ナノ構造材料層の間に挿入される。好ましくは、図５で層１４ｃにより例示される誘電材料は、頂部ナノ構造材料層（図５内の１６ｂ）をオーバーコーティングし、それにより誘電材料内部にナノ構造材料を埋め込む。
【００５０】
図５の構成が、誘電層内部の異なる深さに、第１及び第２のナノ構造材料を含む誘電層を提供することもまた理解され得る。第１及び第２のナノ構造材料は、好適に同じであるかまたは異なり得る。
【００５１】
頂部ナノ構造材料層１６ｂと誘電層の頂部表面１４’との間の、例示的で好適な頂部誘電層部分の厚さ１４ｃ’はまた、好適に幅広く変化し得、例えば約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、より典型的には約２または３ｎｍ〜約１００、１５０、もしくは２００ｎｍを含み得る。
【００５２】
追加の実施形態において、本明細書で開示されるような埋め込まれたナノ構造体を有する１つ以上の誘電層を有する複数の光子結晶は、より大きなデバイス構造体を提供するように凝集され得る。例えば、かかる複数の光子結晶構造体は、より大きなデバイス構造体を製造するために、積重などの隣接する形状で入れ子にされ得る。
【００５３】
本発明の系及びデバイスにおいて、デバイスの誘電層内部に埋め込まれていることに加えて、他の位置で入れ子になったナノ構造材料、または誘電層上の表面の実施例、もしくはポリマー層１２及び／または２２内部（図１、２、３、４、及び５に示される）、またはデバイス内部の他の位置を有することもまた、好適であり得る。
【００５４】
デバイスのナノ構造体層（複数可）の厚さ（図５の層１６ａ及び／または１６ｂの厚さなどの）はまた、好適に、本明細書で開示される浸漬コーティング適用により提供され得るような単層であり得ることが、一般的に好適である。
【００５５】
論じたように、ナノ構造材料層の最適な放射出力が、ナノ構造材料層が誘電層内部に埋め込まれる位置（深さ）の選択により達成され得ることが発見された。光子結晶内部の発光ナノ構造材料の深さ配置は、放出された光子の強度及び角出力の両方を制御するために使用され得ることが発見された。
【００５６】
したがって、発光ナノ構造材料を光子結晶構造体内部の異なる位置に埋め込むことにより、調整された照明出力を作成することができる。発光ナノ構造材料の複数の深さでの配置はまた、特定の波長の角出力を制御するために用いられ得、例えば、画面及び共有表示部、または標的の狭く角度付けられた出力のために望ましい、幅広い角度視野を作り出し、視聴者のために、例えばプライバシーまたは奥行き感覚を提供する。
【００５７】
具体的な発光ナノ構造材料のために、誘電層内部の最適な配置位置が、経験的に、容易に決定され得る。例えば、デバイスのいくつかの試料は、誘電層内部の異なる深さに位置付けられるナノ構造材料で製造され得、変化した試料の放射出力を評価した。異なるナノ構造材料は、最適な所望の放射を提供するように、誘電層内部の異なる配置深さを有し得る。誘電層内部の、特定のナノ構造材料のピーク電界位置は、ナノ構造材料の発光波長に依存し得る。
【００５８】
上述のように、本構造体及び方法において、ポリマー層、ナノ構造材料、誘電材料層、及び異なる屈折率を有する層などの他の層は、数ある中でも、液体浸漬コーティング、転写、スピンコーティング、及びスパッタリングを含む、流体または液体適用を含む種々の堆積方法により、適用され得る。
【００５９】
少なくともある特定の構造体を製造するために、ナノ構造材料層の浸漬コーティング適用が好ましい場合がある。本明細書で参照される場合、浸漬コーティングは、浸漬した表面に適用される流体組成物内へコーティングされる、基材または基材表面の部分的または完全な浸漬を含む。したがって、本明細書に開示される量子ドットなどのナノ構造材料を適用する場合には、上に誘電材料層を好適に有する基材は、少なくとも部分的にナノ構造材料を含む流体組成物内に浸漬される。かかる浸漬コーティングは、基材表面上のナノ構造材料の特に効果的な層を提供することができる。ナノ構造材料は、上に誘電層を有する基材が浸漬される流体有機組成物内で、溶解または分散することができる。かかる基材の浸漬の後、基材は流体組成物から除去され得、乾燥させられる。
【００６０】
上述のように、本明細書で使用される場合、「ナノ構造材料」という用語は、ヘテロ接合ナノロッドなどの１つ以上のヘテロ接合を含む、量子ドット材料及びナノ結晶質ナノ粒子（ナノ粒子またはナノ結晶）を含む。ナノ結晶及び量子ドットを含むナノ構造材料は、ナノ結晶構造を有し、量子力学的特性を表示するために十分に小さい半導体材料を包含する。米国公開出願第２０１３／００５６７０５号及び米国特許第８，０３９，８４７号を参照されたい。米国公開出願第２０１２／０２３４４６０号及び米国公開出願第２０１３／００５１０３２号もまた参照されたい。ナノ構造材料はまた、アップコンバートした蛍光物質を含む、蛍光染料及び蛍光物質を含み得る。
【００６１】
量子ドットは、好適に、ＩＩ〜ＶＩ族の材料、ＩＩＩ〜Ｖ族の材料、Ｖ族の材料、またはそれらの組み合わせであり得る。量子ドットは、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、及びＩｎＡｓから選択される、少なくとも１つを好適に含み得る。異なる条件下で、量子ドットは上の材料のうちの２つ以上を含む化合物を含み得る。例えば、化合物は、混合状態のみで存在する２つ以上の量子ドット、同じ結晶内で２つ以上の化合物結晶が部分的に分けられた混晶、例えばコアシェル構造体、または勾配構造体、もしくは２つ以上のナノ結晶を含む化合物を有する結晶を含み得る。例えば、量子ドットは、貫通孔を有するコア構造体またはコア及びコアを包むシェルを有する容器入り構造体（ｅｎｃａｓｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し得る。かかる実施形態において、コアは、例えばＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＰｂＳｅ、ＡｇＩｎＺｎＳ、及びＺｎＯのうちの１つ以上の材料を含み得る。シェルは、例えばＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳ、ＴｉＯ、ＳｒＳｅ、及びＨｇＳｅから選択される、１つ以上の材料を含み得る。
【００６２】
複数のヘテロ結合を含む、不動態化したナノ結晶質ナノ粒子（ナノ粒子）は、デバイスとして使用されるとき、光放射を増強する電荷担体注入工程を好適に促進する。かかるナノ粒子はまた、半電導性ナノ粒子として参照され得、各端部、一次元のナノ粒子に接触する、単一の端部キャップまたは複数の端部キャップに配置された一次元のナノ粒子を含み得る。端部キャップはまた、互いに接触し得、一次元のナノ粒子を不動態化するように機能する。ナノ粒子は、少なくとも１つの軸に対して対称または非対称であることができる。ナノ粒子は、組成物、幾何学的構造体、及び電子的構造体、または両方の組成物ならびに構造体内で非対称であり得る。ヘテロ結合という用語は、別の半導体材料の結晶格子上で成長する１つの半導体材料を有する構造体を意味する。一次元のナノ粒子という用語は、ナノ粒子の質量が、第１の力へのナノ粒子の特性寸法（例えば長さ）と共に変化する物体を含む。これは以下の式（１）：ＭαＬｄに示され、式中、Ｍは粒子の質量であり、Ｌは粒子の長さであり、ｄは粒子の次元数を決定する指数である。したがって、例えば、ｄ＝１であるとき、粒子の質量は粒子の長さに直接比例し、粒子は一次元のナノ粒子と命名される。ｄ＝２であるとき、粒子は、板などの２次元の物体であるが、一方ｄ＝３は、円柱または球体などの３次元の物体を画定する。一次元のナノ粒子（ｄ＝１である粒子）としては、ナノロッド、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノウィスカ、ナノリボン等が挙げられる。一実施形態において、一次元のナノ粒子は、湾曲しているかまたは波状でもよく（曲がりくねったように）、すなわち１〜１．５の間にある、ｄの値を有する。例示的な好ましい材料は、米国特許第８，９３７，２９４号に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。
【００６３】
一次元のナノ粒子は、直径が約１ｎｍ〜１００００ナノメートル（ｎｍ）、好ましくは２ｎｍ〜５０ｎｍ、及びより好ましくは５ｎｍ〜２０ｎｍ（約６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０ｎｍなど）の横断面積または特性厚さ寸法（例えば、円形の横断面積についての直径または正方形または長方形の横断面積の２乗についての対角線）を、好適に有する。ナノロッドは、好適に、特性寸法が前述の範囲内である円形の横断面積を有する、剛性ロッドである。ナノワイヤまたはナノウィスカは曲線であり、異なるかまたはぜん虫様の形状を有する。ナノリボンは、４つまたは５つの線状側面によって結合される横断面積を有する。かかる横断面積の例は、正方形、長方形、平行六面体、菱面体等である。ナノチューブは、ナノチューブの全長を横切る、実質的に同心円状の孔を有し、それによりそれがチューブ様になる原因となる。これらの一次元のナノ粒子のアスペクト比は、２以上であり、好ましくは５以上であり、及び更に好ましくは１０以上である。
【００６４】
一次元のナノ粒子は、ＩＩ〜ＶＩ族（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ等）、及びＩＩＩ〜Ｖ（ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ等）、ならびにＩＶ（Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｂ等）材料、それらの合金、またはそれらの混合物であるものを好適に含む半導体を含む。
【００６５】
量子ドット材料を含むナノ構造材料は市販されており、また例えば、金属前駆体を使用する標準的化学湿式方法、及び金属前駆体を有機溶液内へ注入し金属前駆体を成長させることにより、調製され得る。量子ドットを含むナノ構造材料の大きさは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）波長の光を吸収または発するように調節され得る。したがって、発光ナノ結晶は、選択された波長または波長範囲の光を吸収または発するように選択され得る。
【００６６】
以下の実施例は本発明を例示する。
【００６７】
以下の実施例１の材料及び方法：
デバイス製作：これらの実施例において、光子結晶（ＰＣ）製作は、ＰＣ格子のために所望の複製成形された構造体のネガ画像を含む「マスター」シリコンウエハを利用した。鋳型は、反応性イオンエッチング（ＰｌａｓｍａＬａｂ  Ｆｒｅｏｎ／Ｏ２反応性イオンエッチング装置）で８０ｎｍの柱を製造する電子線リソグラフィー（ＪＥＯＬ  ＪＢＸ−６０００ＦＳ）パターンを持つ熱酸化物ＳｉＯ２層を含む。エッチングされた面積を、２０分間、ピラニアエッチング液の溶液（硫酸と過酸化水素との３：１（ｖ／ｖ）混合物）で洗浄し、次いで脱イオン水ですすぎ、Ｎ２で乾燥させ、２滴のＮｏ−Ｓｔｉｃｋ溶液を用いて密閉容器内で、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシラン（Ｎｏ−Ｓｔｉｃｋ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）の気相堆積で１時間処理した。エッチング後処理は、マスターウエハからの複製物の一貫した除去を可能にする。
【００６８】
ＰＣの複製成形した層を、フラスコ内で混合した９１μＬのラウリルメタクリレート（ＬＭＡ）と９μＬのエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭＡ）とを含有するＵＶ硬化性ポリマーで形成し、続いて１μＬの開始剤（Ｄａｒｏｃｕｒ  １１７３、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を追加した。溶液をマスターウエハ上に液滴コーティングし、ポリマー接着力を増大させるために３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）の気相堆積で前もって処理したＯｐｔｉｇｒａｆｉｘのアセテートシートによって覆った。液滴は広がり、シリコン基材とアセテートシートとの間に連続的な薄層を形成した。それを高強度ＵＶランプの下で、アルゴン雰囲気中で３０分間重合し、次いでアセテート基材に付着した複製された格子構造体を含有する膜を、マスターから除去することができた。
【００６９】
スパッタリングを使用し、所望の厚さの高い屈折率のＴｉＯ２層（Ｋ．Ｊ．Ｌｅｓｋｅｒ  Ｄｕａｌ−Ｇｕｎ  Ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ）を、複製成形したポリマー層上に堆積させる。セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）量子ドット（ＱＤ）浸漬コーティング溶液を、オレイン酸リガンドコーティングで合成し、エタノール及びメタノールを使用した沈殿及び遠心分離により２回精製し、次いでヘキサン中に最初の濃度で再分散させた。ＰＣを溶液に１５秒間浸漬し、取り出し、少なくとも５分間乾燥させた。堆積が均一でない場合、ＰＣをヘキサンに浸漬して、量子ドットを除去し、浸漬手順を繰り返すことができる。最後に、ヘキサンを使用して、基材の後側表面からＱＤを除去し、ＰＣデバイス面積の外側のいかなる交絡放射をも排除する。次いで、追加のスパッタリングを行い、ＴｉＯ２層を完成させる。
【００７０】
測定及び特性決定：
各試験構造体の出力を特性付けるために使用される試験設定を、ＬａｂＶＩＥＷ  ＯｍｎｉＤｒｉｖｅｒインターフェースによって操作した。ＱＤのための励起源は、λ＝３７５ｎｍの中心波長を有する、コリメートしたＵＶ発光ダイオード（Ｔｈｏｒ  Ｌａｂｓ、高輝度濃紫ＬＥＤ）である。ＬＥＤは２０ｎｍの全幅半値を有し、また３５０＜λ＜３９０ｎｍの帯域フィルタを、試験下の構造体に達すること及びＱＤ放射の測定を妨げることから、いかなる非ＵＶ波長をも排除するために使用した。試験のため、構造体を、試験設定の光軸に対する構造体の表面の配向において、０．１°の段階増量を可能にするモータ付きの回転ステージ上に乗せた。ＵＶフィルタ及び光ファイバー上のコリメートレンズを通過した後の各位置での出力放射を収集し、次いでＵＳＢ２０００＋Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ分光計により分析した。
【００７１】
光源として広帯域の、無偏光ハロゲン電球（ＬＥＤ及び帯域フィルタに替わって）を使用することにより、構造体を通る伝送スペクトルもまた計測できる。照明光源が、光子結晶試験構造体への同一の工程を経験したバルク試料を通過し、種々の層に渡る光減衰についての対照測定を提供する。次いで、同一の測定を試験構造体で行い、対照測定で正規化し、光子帯構造体及び出力放射の角度依存性を決定した。
【００７２】
実施例１：デバイス製作
製造したデバイス構造体は、埋め込まれたＱＤの発光波長を有するＰＣ共振波長と、一致または不一致のいずれかである領域から、ＱＤ放射強度の対照比較を可能にする２つの別個の２次元のＰＣ領域を含む。図６（ａ）で示されるように、領域をチェッカーボード形式で交互配置し、その交互領域は別個の共振波長を有する。各領域は、図６（ａ）の挿入画に示されるように２つの直交性の周期を有し、２つの周期は、埋め込まれたＱＤの励起及び発光波長の両方を増強するように設計された。例えば、チェッカーボードの領域１内の２Ｄ−ＰＣは、Ｘ方向において短周期（Ｌ＝２００ｎｍ、４０％使用率）を有し、Ｙ方向においてはより長い周期（Ｌ＝３４０ｎｍ）を有する。短周期を、ＱＤ励起のために使用する３５０＜λ＜３９０ｎｍのＵＶ波長で、導波モード共振を産するように設計する一方で、より長い周期を、ＱＤ放射のλ＝６１５ｎｍの波長で共振を産するように設計する。チェッカーボードの領域４は、Ｘ方向においてＬ＝２００ｎｍ（７０％使用率）の短周期、及びＹ方向においてはＬ＝２５０ｎｍの長周期を有し、短周期を、ＱＤ励起波長で導波モード共振を産するように設計するが、長周期はλ＝４８０ｎｍの波長で共振を産する。したがって、λ＝６１５ｎｍで中心の発光波長を有するＱＤを構造体全体の内部に埋め込んだとき、全てのＱＤ（チェッカーボードの両部分内の）は、共振増強効果で励起するが、領域１内部のＱＤのみが増強した抽出効果に関与する。差分時間領域電磁コンピュータシミュレーション（Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ、ＦＤＴＤ）を使用して、９５ｎｍの厚さのＴｉＯ２（ｎ＝２．３５、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ２０１０／Ｍプリズム結合器）層が、λ＝６１５ｎｍでの無偏光ＱＤ放射への連結を最適化するであろうことを決定する。これは、同じ格子構造体を使用して製造した前のＰＣデバイス内の共振条件から推定される値と一致したが、ＴｉＯ２層の交互堆積の厚さとは一致しなかった。
【００７３】
λ＝６１５ｎｍのＱＤ放射を増強するように標的された共振を有する領域は、６０％使用率を有する３４０ｎｍの周期と、７０％使用率を有する１４０ｎｍの周期を有する直交性の格子とを有する。交互ＰＣチェッカーボード領域は、λ＝４９０ｎｍのより短い波長で光学共振を有するが、それはＱＤ放射とは重ならず、ＱＤ放射増強を提供する有効なデバイス面積を半分にする。出力強度における差異は裸眼に対して可視であり、図６（ｅ）内のＰＣに埋め込まれたＱＤの写真に示されるように、ＱＤ増強の視認を可能にする。本研究を平易にするための、λ＝６１５ｎｍの共振付近の光学特性が、結果の重点である。
【００７４】
図６（ｂ）に示されるように、ＰＣは、上にＴｉＯ２の特定の厚さ、ｈが堆積した、複製成形したポリマー格子構造体を有する。ＱＤの層を、次いで、ＴｉＯ２表面上の浸漬コーティングにより適用し、所望のＴｉＯ２の厚さの剰余をＱＤ上に堆積させる。最終ＴｉＯ２堆積後の頂部表面のＳＥＭ画像を、図６（ｃ）に示す。λ＝６１５ｎｍ及びλ＝５５０ｎｍでの共振モードのためのモデル化された電界を、図６（ｄ）に示し、ピーク電界強度の位置が、同じＰＣ構造体内部の入射光の波長で変化することを実証する。ＴｉＯ２層内部のＱＤ放射体の深さを変化させることにより、ＱＤ放射強度の増強もまた変化するであろうことを我々は予測する。ＴｉＯ２領域内部のＱＤ配置の影響を調査するために、以下の表１に記載される形状、３つのＰＣ試料からなる各バッチ、及び同じ手順で作成した平坦な「対照」試料で、しかし周期的格子構造体無しで、我々はデバイスを製造した。
【００７５】
【表１】
2019204088.tif 000002
【００７６】
デバイスの伝送効率スペクトルを、上述したような、製作工程の各段階の後に計測した。直角入射で計測した伝送効率の最小値を、共振モードの報告した波長を決定するために使用した。図７で黒い線として示される、連続的なＴｉＯ２誘電層のためのモデル化された伝送効率を、計測した伝送スペクトルとの比較のために使用されるチェッカーボードパターンの５０％有効な面積に関して正規化した。
【００７７】
図面の図７に示されるように、堆積したＴｉＯ２材料の各層は、伝送効率最小値における赤色移動の原因となる。全ての試料において観察される、ＱＤの追加によって引き起こされるλ＝２０〜２５ｎｍの偏移もまた存在する。ｈ＝９０ｎｍで添加したＱＤを有し、ＱＤ層上に堆積した５ｎｍのみのＴｉＯ２を有する、それらの構造体のついての伝送効率最小値は、λ＝６２０ｎｍで発生した。Δλ＝５ｎｍ、λ＝６１５ｎｍの値よりも大きい波長でのみ発生するこの最小値は、埋め込まれたＱＤを有しない連続的な誘電層についてモデル化された結果により予想された。しかしながら、他のデバイス条件のため、ＱＤ上に最終ＴｉＯ２層が堆積した後、他の深さｈへの共振波長が、ｈ＝３０ｎｍのためのΔλ ＝４０ｎｍにより、及びｈ＝６０ｎｍのためのΔλ＝１５ｎｍにより、モデル化された波長から青色移動する。これらのＰＣにおいて、ＴｉＯ２層の連続的な屈折率は妨害され、ＰＣの有効屈折率はＱＤのより高い屈折率の材料（サイズに応じて、ｎ＝２．５〜２．６４、により変化する。電界の高いかまたは低い強度部分内部のＱＤの位置で変化する屈折率上のＱＤの影響は、光子結晶の有効屈折率を更に改変する。
【００７８】
また、製造したデバイスの出力強度を、角度範囲に渡って計測し、ＱＤ放射の増強に関する誘電層内部のＱＤ位置の影響を決定した。共振がＰＣの外で連結する光の引出し角度及び波長の両方に依存するため、図面の図８に示されるような出力強度を、λ＝６１５ｎｍのピークＱＤ放射での、直角入射（０°）〜２０°の角度範囲に渡って計測した。出力強度を、各実験条件で計測した３つのＰＣ構造体に関して平均化した。ＰＣ内部の平均ＱＤ出力強度を、各実験条件に関する平坦な制御構造体出力強度で除算することにより、増強要因を決定した。ＱＤの発光波長に適合する共振を有するチェッカーボード領域への実際の増強要因は、交互チェッカーボード領域内のＱＤ放射を増強していないため、本明細書で我々が報告する値よりも実際は２倍高くなるであろう。
【００７９】
図面の図８は、光子結晶の誘電層内部に埋め込まれたＱＤの深さが、ＱＤ放射の増強に影響を与えることを明確に示す。直角入射での最も高い増強要因は５倍であり、深さｈ＝９０ｎｍに置かれる、ＴｉＯ２表面に最も近いＱＤ層を有する構造体内で発生する。これは、図面の図６（ｄ）に示される、直角入射で抽出される、λ＝６１５ｎｍの光へのモデル化された結果から予想され、最も強い電界は高い屈折率の層の頂部表面に沿って集中する。しかしながら、他の製造した構造体は、ｈ＝６０ｎｍのＴｉＯ２に置かれたＱＤへの４°の引出し角度及びｈ＝３０ｎｍのＱＤへの７°の引出し角度で、より高い増強要因（最大で８倍まで）を実証する。
【００８０】
論じたように、ピーク増強が発生する変化する角度は、ＰＣ内部の放射体の深さ配置を、放出した光子の強度及び角出力の両方を制御するために使用できることを示す。この方法論は、ＰＣ構造体内部の異なる位置に埋め込まれた複数のＱＤ放射波長を同時に増強し、調整された照明出力を作成するために有用である。複数の深さでのＱＤの配置はまた、特定の波長の角出力を特に制御するために使用され得、画面及び共有表示部、または標的の狭く角度付けられた出力のために望ましい、幅広い角度視野を作り出し、視聴者のために、例えばプライバシーまたは奥行き感覚を提供する。
【図１】
2019204088.tif 000003
【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（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図６（ｄ）】
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【図６（ｅ）】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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