(57)【要約】  負屈折率メタ材料を用いずに構成された、フィルムを支持する基板を備える垂直ダイポールアレイ構造。フィルムは複数の傾斜部と開口を備える。少なくとも２つの傾斜部は開口によって分離され、傾斜部は入射ビームが負屈折方向または正屈折方向へ方向変更されるように構成されている。【選択図】図６ａ
2013539063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の傾斜部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、
（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、
（ｉｉ）少なくとも２つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
（ｉｉｉ）前記傾斜部は、入射ビームが負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、
（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項２】
少なくとも２つの前記傾斜部は、１以上の開口によって分離されている
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項３】
前記フィルムは、高導電性材料を含む
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項４】
前記フィルムは、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、グラフェン、グラファイト、または導電酸化物を含む
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項５】
前記傾斜部は、互いに異なる角度に傾斜して、拡散入力ビームがコリメートされた平行ビームとして伝搬するように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項６】
前記傾斜部は、入射ビームが前記開口を介して伝搬し、焦点において加算的干渉するような角度に傾斜している
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項７】
前記開口は、均一な格子周期で分離されている
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項８】
前記開口は、非均一な格子周期で分離されている
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項９】
前記傾斜部は、主に入射ビームの−１次伝搬をサポートするように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１０】
前記フィルムを支持する前記基板の表面は、少なくとも１つの垂直段差面によって分離された傾斜面を有する鋸刃プロファイルを有する
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１１】
前記フィルムを支持する前記基板の表面は、少なくとも１つの垂直段差面によって分離された傾斜面を有する鋸刃プロファイルを有し、前記傾斜面は実質的に互いに平行である
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１２】
前記複数の開口は、前記フィルムの切れ目を規定する
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１３】
前記基板は、負屈折率メタ材料を含まない
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１４】
前記傾斜部は、異なる角度に傾斜を調整することができるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１５】
入射ビームが鏡像効果なしで伝搬する
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１６】
複数の傾斜部を備えるフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、
（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、
（ｉｉ）少なくとも２つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
（ｉｉｉ）前記傾斜部は、入射ビームが前記開口を介して伝搬して焦点において加算的干渉するように構成されており、
（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項１７】
垂直ダイポールアレイ構造を製造する方法であって、
（Ａ）基板を提供するステップと（Ｂ）前記基板の表面上にフィルムを形成するステップを有し、
前記フィルムは開口のアレイと傾斜部を備え、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記基板の上面をエッチングして、少なくとも１つの垂直段差面によって分離された傾斜面を有する鋸刃プロファイルを設けるステップを有する
ことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極を備え、
前記電極は、前記フィルムを介した直接伝搬なしで入射ビームが視射角方向へ曲げられるように構成されている
ことを特徴とする光起電デバイス。
【請求項２０】
フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極を備え、
前記電極は、傾斜入射ビームが前記ナノ開口を有する電極を介して直接伝搬し、前記直接伝搬するビームが視射角において前記フィルムを介して伝搬するように構成されている
ことを特徴とする光起電デバイス。
【請求項２１】
複数の傾斜部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、
（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、
（ｉｉ）少なくとも２つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
（ｉｉｉ）前記傾斜部は、前記アレイが偏光に影響されないように構成されている
ことを特徴とする２Ｄ垂直ナノ開口アレイ構造。
【請求項２２】
少なくとも１つの前記開口は、十字形状である
ことを特徴とする請求項２１記載の２Ｄ垂直ナノ開口アレイ構造。
【請求項２３】
垂直ナノ開口アレイを形成する方法であって、
基板によって支持されたフィルムと前記基板をホログラフリソグラフィーによってパターン化するステップ、
前記フィルム上に傾斜積層によって金属を提供するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２４】
複数のオフセット部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、
（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、
（ｉｉ）少なくとも２つの前記オフセット部は、開口によって分離されており、
（ｉｉｉ）前記オフセット部は、入射ビームが負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、
（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項２５】
前記フィルムを支持する前記基板の表面は、メサパターンを有する
ことを特徴とする請求項２４記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項２６】
複数の傾斜部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、
（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、
（ｉｉ）少なくとも２つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、
（ｉｉｉ）前記傾斜部は、入射ビームが正屈折方向または負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、
（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている
ことを特徴とする垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項２７】
前記開口を介して伝搬する入射ビームは、約０．５λ以下のスポットサイズのビーム収束機能における所与のスポットにおいて加算的干渉する
ことを特徴とする請求項１記載の垂直ダイポールアレイ構造。
【請求項２８】
（Ａ）ミラーフィルム、
（Ｂ）前記ミラーフィルム上に形成されたフィルム、
（Ｃ）前記フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極、
を備え、
前記電極、フィルム、およびミラーフィルムは、ファブリペロー共振器構造として構成されている
ことを特徴とする光起電デバイス。
【請求項２９】
前記電極とミラーフィルムは、伝搬光が前記ミラーフィルムによって反射するように構成されている
ことを特徴とする請求項２８記載の光起電デバイス。
【請求項３０】
フィルム上に形成された少なくとも１つの第１の１Ｄ格子構造、
前記フィルム上に形成された少なくとも１つの第２の１Ｄ格子構造、
を備え、
前記第１および第２の１Ｄ格子構造は、非偏波光が前記フィルムに結び付けられるように構成されている
ことを特徴とする２Ｄ垂直ナノ開口アレイ構造。
【請求項３１】
各前記第１の１Ｄ格子構造と前記第２の１Ｄ格子構造は、垂直ナノ開口アレイ構造である
ことを特徴とする請求項３０記載の２Ｄ垂直ナノ開口アレイ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全米科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）によって授与されたＥＣＳ−０４２４２１０の下、政府のサポートによってなされたものである。政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００２】
本願は、２０１０年７月２２日に出願された米国仮出願第６１／３６６，８０９号および２０１０年１１月１２日に出願された米国仮出願第６１／４１２，９５７号の優先権を主張する。これら出願それぞれの内容は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、光学デバイスに関するものである。具体的には、ナノ構造を有する光学デバイスおよびこれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
２つの異なる媒体の境界における光の屈折は、撮像素子やビーム整形素子にとって必要な基盤を形成する。同現象はバルク媒体の境界において発生する巨視的現象として一般に見られるが、微視的レベルにおいては、光が原子レベルまたは分子レベルの散乱（再放射）を介して回折して伝搬し、生成された小波間の干渉がその後に生じるものである。
【０００５】
屈折と格子回折との間には、両現象とも回折伝搬と干渉が関連している点において、内在的な関連があることは明白である。ただし、全く異なる長さスケールにおいては相違点がある。すなわち、屈折は原子／分子レベルの散乱間隔に起因して生じ、格子回折は波長スケール開口間隔に起因して生じる。
【０００６】
屈折率が負である人工媒体の干渉の場合においては、光は面法線に対して負角に屈折し得る。しかし、負屈折率材料は一般に、準波長サイズに設計された共鳴構造を有し、内在的に損失を有するとともに動作スペクトル幅が限定されている。また、従来の回折格子においては、伝送パワーは主に０次回折（すなわち直接伝送）によって搬送され、他の高次回折は一般に強度が小さい。例えば、図１ａに示す従来の水平ダイポールアレイ１０の放射パターン１２は、主ビームとして０次（直接伝送）をサポートする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、入射する放射ビームを任意の選択した所望方向、すなわち正負の屈折方向へ曲げるために負屈折率材料を使用しない構造を提供することである。これに代えて本発明は、高次回折伝搬と傾斜ナノ開口を介した干渉により、入射する放射ビームの方向を変える格子構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は例えば金属薄膜内に形成されたナノ開口のアレイを考案する。各ナノ開口を薄膜表面から傾斜させ、放射パターンが面法線方向から離れて特定方向に向き、かつ角度拡散を抑えるようにすることができる。アレイとして、開口放射は特定方向における加算的干渉を生成する。この方向は各開口の放射パターンに合致するように設計されている。
【０００９】
したがって本発明は、バルク媒体の光を回折させる新しいタイプの薄膜格子構造を提供する。入射ビーム方向に応じて、この格子構造は正負のビーム屈折を伝搬損失なしに遠距離場へ向けることができる。負屈折については、本格子構造は主に−１次回折をサポートするように設計され、０次とその他の高次ビームは広範な入射角にわたって抑制される。正屈折については、本格子構造は＋１次回折ビームを優先的に利用し、他の回折成分は抑制する。この次数選択性能を有する格子回折は、選択した回折次数の方向においてのみ加算的干渉ができるようにナノ開口の放射パターンを製造することによって実現される。
【００１０】
本発明の１側面によれば、複数の傾斜部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、（ｉｉ）少なくとも２つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、（ｉｉｉ）前記傾斜部は、入射ビームが負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている、垂直ダイポールアレイ構造が提供される。
【００１１】
他実施形態によれば、本発明は垂直ダイポールアレイ構造を製造する提供する。同方法は、（Ａ）基板を提供するステップと（Ｂ）前記基板の表面上にフィルムを形成するステップを有し、前記フィルムは開口のアレイと傾斜部を備え、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている。
【００１２】
本発明の他実施形態によれば、フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極を備える光起電デバイスが提供される。前記電極は、前記フィルムを介した直接伝搬なしで入射ビームが視射角方向へ曲げられるように構成されている。
【００１３】
本発明の他側面によれば、複数のオフセット部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備える垂直ダイポールアレイ構造が提供される。（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、（ｉｉ）少なくとも２つの前記オフセット部は、開口によって分離されており、（ｉｉｉ）前記オフセット部は、入射ビームが負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている。望ましい実施形態において、前記フィルムを支持する基板の表面は、例えば図１０に示すようなメサパターンを有する。
【００１４】
本発明の他側面において、複数の傾斜部を有するフィルム（Ｂ）を支持する基板（Ａ）を備え、（ｉ）前記フィルムは複数の開口を有し、（ｉｉ）少なくとも２つの前記傾斜部は、開口によって分離されており、（ｉｉｉ）前記傾斜部は、入射ビームが正屈折方向または負屈折方向へ方向変更されるように構成されており、（ｉｖ）前記フィルムは、負屈折率メタ材料を用いずに構成されている、垂直ダイポールアレイ構造が提供される。
【００１５】
本発明の他側面において、（Ａ）ミラーフィルム、（Ｂ）前記ミラーフィルム上に形成されたフィルム、（Ｃ）前記フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極、を備え、前記電極、フィルム、およびミラーフィルムは、ファブリペロー共振器構造として構成されている、光起電デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】従来の水平ダイポール開口格子において光が金属ナノ開口アレイを介して回折伝搬する様子を示す。
【図１ｂ】実施形態の垂直ダイポールナノ開口アレイにおいて光が金属ナノ開口アレイを介して回折伝搬する様子を示す。
【図１ｃ】光が金属ナノ開口を介して回折伝搬する様子を重ね書きした、実施形態の垂直ダイポールナノ開口アレイの断面図である。
【図１ｄ】図１ｃに示す垂直ナノ開口アレイ構造の変形例の断面図である。
【図１ｅ】図１ｃに示す垂直ナノ開口アレイ構造の変形例の断面図である。
【図１ｆ】図１ｃに示す垂直ナノ開口アレイ構造の変形例の断面図である。
【図２ａ】Ａｇ層上に垂直方向に形成された単一垂直ナノスリットの１実施形態である。ダイポール開口は基板に対して垂直に向いている。
【図２ｂ】図２ａの単一垂直ナノスリットの放射パターンの時間領域差分法（ＦＤＴＤ）シミュレーションである。図２ｂは振幅マップである。
【図２ｃ】図２ａの単一垂直ナノスリットの放射パターンの時間領域差分法（ＦＤＴＤ）シミュレーションである。図２ｃは振幅の角度プロファイルである。
【図２ｄ】実験的に測定した、図２ａの単一垂直ナノスリットを介した光伝搬のビームプロファイルである。
【図２ｅ】Ａｇ層上に形成された単一垂直ナノスリットの他実施形態である。ダイポール開口は基板に対して垂直方向に向いている。
【図２ｆ】図２ｅの単一垂直ナノスリットの放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションである。図２ｆは振幅マップである。
【図２ｇ】図２ｅの単一垂直ナノスリットの放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションである。図２ｇは振幅の角度プロファイルである。
【図２ｈ】Ａｇ層上に形成された単一ナノスリットの比較例の断面図である。ダイポール開口は基板に対して水平方向に向いている。
【図２ｉ】図２ｈの単一垂直ナノスリットの放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションである。図２ｉは振幅マップである。
【図２ｊ】図２ｈの単一垂直ナノスリットの放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションである。図２ｊは振幅の角度プロファイルである。
【図２ｋ】ビーム入射角の関数として計算した、垂直ナノスリットの伝送スループット（強度）を示す。積算伝送パワーは、表面プラズモンパワーを考慮に入れるかまたは考慮に入れることなく、ｒ＝１ミクロンにおいて計算される。法線入射において計算される伝送強度は、８０％の伝送効率である。
【図３ａ】垂直ダイポール開口を有する実施形態のナノスリットアレイの測定ビームプロファイルを示す。
【図３ｂ】面内水平ダイポール開口を有する従来のナノスリットアレイの測定ビームプロファイルを示す。
【図３ｃ】入射角の関数として測定される負屈折角を示す。実線はブラッグ回折法則に基づく計算結果に対応する。
【図３ｄ】図１ｂに示すような垂直ナノスリットアレイの形状を示す。これは、ブラッグ回折格子法則によってビーム特性を記述しまたは計算するために用いられる。
【図４ａ】局所変化する非均一格子周期を有する垂直ダイポールナノ開口における負屈折を示す。
【図４ｂ】負屈折垂直ダイポールナノ開口アレイ構造のサイドミラー機能を示す。
【図４ｃ】従来のミラーイメージングを示す。
【図５ａ】垂直ナノ開口アレイ構造に基づくビーム収束レンズ（垂直ナノスリットアレイレンズ）などのような実施形態の断面図を示す。各ナノ開口放射パターンは、共通焦点に向くように設計されている。焦点に対する各開口伝搬の位相遅延は、隣接する開口よりも２πラジアン異なっている。これにより加算的干渉することができる。
【図５ｂ】垂直ナノスリットアレイレンズの測定ビームプロファイルを示す。
【図５ｃ】垂直ナノスリットアレイレンズの測定ビームプロファイルを示す。６３３ｎｍ波長光について、焦点において２１０ｎｍ（ＦＷＨＭ）のビームスポットサイズが得られる。
【図６ａ】薄膜光起電デバイスの吸収向上のため用いたときのナノスリットアレイの断面図を示す。
【図６ｂ】横方向に積層した太陽電池パネルを示す。太陽放射はナノ開口電極に対して斜めに入射し、薄膜を介して視射角方向に伝搬する。垂直ナノ開口アレイは、視射角入射に対して非常に大きい伝搬性能を示す。
【図７ａ】垂直ナノ開口アレイの斜視ＳＥＭ画像である（スケールバー４００ｎｍ）。
【図７ｂ】水平ナノ開口アレイの上面ＳＥＭ画像である（スケールバー４μｍ）。
【図７ｃ】図７ｂの水平ナノ開口アレイの断面ＳＥＭ画像である（スケールバー５００ｎｍ）。
【図８】従来の水平ダイポール開口格子における金属ナノ開口アレイを介した光の回折伝搬を示す。
【図９ａ】偏光依存２Ｄビーム整形関数についての十字形状２Ｄナノ開口を示す。
【図９ｂ】ビーム収束機能についての垂直ナノ開口の２Ｄアレイの図である。図９ｂは上面図である。
【図９ｃ】ビーム収束機能についての垂直ナノ開口の２Ｄアレイの図である。図９ｃは側面図である。
【図１０ａ】大面積基板上に垂直ナノ開口アレイを製造するためのホログラフリソグラフィーと傾斜積層工程を示す。メサ高さと金属厚さを選択してメサ構造の１側面上に垂直ナノ開口を生成することができる。
【図１０ｂ】大面積基板上に垂直ナノ開口アレイを製造するためのホログラフリソグラフィーと傾斜積層工程を示す。メサ高さと金属厚さを選択してメサ構造の１側面上に垂直ナノ開口を生成することができる。
【図１０ｃ】大面積基板上に垂直ナノ開口アレイを製造するためのホログラフリソグラフィーと傾斜積層工程を示す。メサ高さと金属厚さを選択してメサ構造の１側面上に垂直ナノ開口を生成することができる。
【図１０ｄ】大面積基板上に垂直ナノ開口アレイを製造するためのホログラフリソグラフィーと傾斜積層工程を示す。メサ高さと金属厚さを選択してメサ構造の１側面上に垂直ナノ開口を生成することができる。
【図１１ａ】図２ａの単一垂直ナノスリットの放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションの別図面である。図１１ａは図２ｂの振幅マップであり、矢印１３０と垂直破線１３５が単一垂直ナノスリット上に重ね書きされ、入射する放射ビームと基板法線をそれぞれ表している。
【図１１ｂ】図２ａの単一垂直ナノスリットの放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションの別図面である。図１１ｂは、垂直ナノスリット（Ｖ）と水平ナノスリット（Ｈ）についての放射パターンの角度プロファイルを示す。凡例は基板法線に対する入射光の角度θを示す。
【図１２ａ】本発明に係るナノスリットアレイの別実施形態の断面図のグラフである。これは薄膜光起電デバイスにおける吸収向上のために用いられる。矢印は照射角を示す。
【図１２ｂ】本発明に係るナノスリットアレイの別実施形態の断面図のグラフである。これは薄膜光起電デバイスにおける吸収向上のために用いられる。矢印は照射角を示す。
【図１３ａ】本発明にしたがってバルクおよび薄膜光起電デバイスにおける吸収向上のために用いられる、ナノスリットアレイの別断面図を示す。
【図１３ｂ】本発明にしたがってバルクおよび薄膜光起電デバイスにおける吸収向上のために用いられる、ナノスリットアレイの別断面図を示す。
【図１３ｃ】本発明にしたがってバルクおよび薄膜光起電デバイスにおける吸収向上のために用いられる、ナノスリットアレイの別断面図を示す。
【図１４ａ】誘電境界（空気からシリコン）における光の屈折伝搬を示す。
【図１４ｂ】誘電構造上に形成された格子構造の格子周期と入射光波長の比に依拠して、視射角伝搬に達する回折ビームが存在することを示す。
【図１４ｃ】共鳴空洞構造４３５の断面図である。
【図１５ａ】仮想ナノ開口構造とこれにより得られる放射パターンを示す。
【図１５ｂ】図１５ａの仮想ナノ開口構造のアレイとこれにより得られる放射パターンを示す。
【図１５ｃ】図１５ｂの仮想ナノ開口アレイによって覆われた誘電表面の場合についての位相整合条件（波動ベクトル関係）を示す。
【図１６ａ】垂直ナノスリットの２Ｄアレイを示す。ＴＥ偏光成分（Ｅ＝Ｅｚｚ）については、水平格子線（Ｋｇｚ：ｚ方向）が付与されている。垂直格子線（Ｋｇｘ：ｘ方向）は主にＴＭ偏光についてのものである。
【図１６ｂ】ｘｙ平面に沿った図１６ａの２Ｄアレイの断面図を示す。
【図１６ｃ】ｙｚ平面に沿った図１６ａの２Ｄアレイの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
「垂直ナノ開口アレイ」、「垂直ナノスリットアレイ」、「垂直ダイポールアレイ」、「垂直ダイポール開口のアレイ」という語句は、本明細書において同義に用いられる。
【００１８】
誘電境界における従来の屈折伝搬の制約を克服する
誘電境界における光の屈折伝搬は、スネルの法則によって支配され、伝搬角は屈折率と入射角の比によって決定される。例えば空気からシリコン（ｎ〜３．５）に向かう場合のように高い屈折率の媒体に入射するビームについては、最大伝搬角は〜１６度に限定される（図１４ａ）。例えば周期的に配置された金属ワイヤやグリッドのように誘電表面上に形成された格子構造は、回折伝搬を誘起することができる。格子周期と入射光波長の比に依拠して、回折ビームのなかには図１４ｂに示すように視射角伝搬に達するものもある。しかし従来の格子においては、伝送パワーは主に０次回折によって搬送される。０次回折の最大伝搬角は限定され、屈折率コントラストが高い媒体の境界にとっては小さく、また他の高次回折は一般に強度が小さい。高スループット視射角伝搬を実現することの困難さは、２つの原因による。第１に、従来の格子構造の個々の回折素子の散乱パターンは、視射角方向に対してパワーをあまり寄与せず、したがって強度が大きい高次回折ビームをその所望方向において構築することができない。第２に、回折素子が誘電表面をカバーする範囲とその結合効率は、一般に従来の格子構造においては低い。したがって入射パワーのほとんどは、格子素子と干渉せずに誘電表面を伝搬する。
【００１９】
仮想ナノ開口構造を図１５ａに示す。ナノ開口構造は、光学的に厚い金属薄膜内に形成され、異方性が高く、入射光を視射角方向に向けるように設計された放射パターンを有する。誘電表面はナノ開口領域を除いて金属によってマスクされるので、入射光の伝搬は開口を介してのみ生じる。したがって伝搬特性は、斜め方向に向いた開口放射パターン自体によって排他的に支配される。図１５ａの構造を、図１５ｂに示すような誘電表面上に形成された仮想ナノ開口のアレイと比較する。図１５ｂにおいて、開口放射間の干渉により、異なる次数の回折ビームが生じ得る。方向が開口放射パターンの角度範囲内に収まる特定次数の回折ビームは強く伝搬し得るが、放射パターン外の方向を向いた他のビームは伝搬波を形成することができない。図１５ｃは、仮想ナノ開口アレイによって覆われた誘電表面の場合についての位相整合条件（波動ベクトル関係）を示す。この図において、送信側における＋１次回折ビームは、ナノ開口放射パターンと整合するように設計されている。すなわち、斜め入射について視射角方向を向くように設計されている。０次とその他の高次回折は抑制される。高屈折率媒体における視射角伝搬は、高指向性ナノ開口放射パターンを採用することおよびその干渉効果により実現される。動作原理は、従来のバルク誘電境界における屈折とは異なる。この新たな原理（垂直ダイポール放射パターンによって回折次数を選択すること）を適用して、以下に説明するように、ナノ開口アレイを介した光の負屈折を実現することができる。
【００２０】
負屈折率メタ材料を用いない負屈折
一般に伝搬損失が大きいバルクメタ材料の場合とは異なり、本発明に係るナノ構造金属薄膜によって実現される負屈折は、そのような損失なく遠距離場領域に到達することができる。また、ほとんどのメタ材料は共鳴現象に依拠しており、負屈折は狭いスペクトル範囲に限定される。一方、本発明の垂直ダイポールアレイ構造により、任意の波長において負屈折方向の回折を実現することができる。バルク媒体境界において実現される光の負屈折により、従来の回折光学素子においては到達できない角度範囲を得ることができる。したがって、例えば本発明の垂直傾斜ナノ開口アレイ構造のようなナノ光学構造は、様々なアプリケーションにおけるプラットフォームとして動作することができる。例えば光ビーム整形、撮像、リソグラフィー、光データ記憶、情報処理、器具、計測、光起電などが考えられる。
【００２１】
図１ｂを参照する。本発明に係る垂直ナノ開口アレイ１００は、−１次格子回折のみをサポートするように設計されている。これは負屈折ビーム１１２を形成する。垂直ダイポールアレイ構造は、複数の傾斜部１２０と複数の開口１２５を備えるフィルム１１５を支持する基板（図示せず）を備える。少なくとも２つの傾斜部１２０が、開口１２５によって分離されている。傾斜部は、負屈折ビーム１１２によって示すように、入射ビーム１３０が負屈折方向へ方向変更されるように構成することができる。
【００２２】
本発明において、フィルム１２０は、入射ビームが負屈折方向に方向変更されるように構成された垂直ダイポールアレイ構造の場合であっても、負屈折率メタ材料によって形成されていない。例えばフィルム１２０は、格子状の周期的に傾斜した、高導電材料の傾斜または斜面フィルムを備えることができる。すなわち、傾斜ナノ開口のアレイを提供する高導電材料のフィルムである。高導電材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒなど、および／またはそれらの高導電合金、グラフェン、グラファイト、導電酸化物から選択することができる。
【００２３】
フィルム１１５は、図１ｃに示すように、傾斜部１２０を備えることができ、基板１３５はフィルム１１５を支持することができる。隣接する傾斜部１２０は、少なくとも１つの開口１２５によって分離することができる。少なくとも１つの開口１２５によって分離された傾斜部１２０は、鋸刃パターンを形成することができる。鋸刃パターンは、鋸刃パターンに形成された表面部分を有する上面を備える基板によって支持される。例えば、鋸刃パターンの各刃は、垂直段差面１２７と傾斜または斜面１２１を備えることができる。基板は、実質的に水平な部分１２３を備えることができる。水平部１２３は、フィルム１１５の水平部１２２を支持する。基板法線１３１に対する角度θの入射ビーム１３０は、基板法線から離れる角度φに方向変更される。基板１３５は、負屈折率メタ材料ではない材料を備えることができる。
【００２４】
前述の本発明の説明は、以下の例によって補充される。これは例示目的のみのものである。
【００２５】
単一ナノ開口
６０ｎｍ幅を有し、Ａｇ層上に形成された、単一ナノ開口またはナノスリットの３つの異なる構造を、図２ａ（例１）、図２ｅ（例２）、図２ｈ（比較例１）に示す。図２ａにおいて、フィルム１１５の傾斜部１２０と水平部１２２は、基板１３５によって支持され、開口１２５によって分離されている。図２ｅにおいて、フィルム１１５の２つの水平部１２２は基板１３５によって支持され、開口１２５’を有する垂直段差面１２７によって規定される高低差を有する。図２ｈにおいて、フィルム１１５の２つの水平部１２２は基板１３５によって支持され、高低差はなく、開口１２５’’によって分離されている。
【００２６】
３つの異なる構造の放射パターンのＦＤＴＤシミュレーションを、それぞれ図２ｂ〜２ｃ、２ｆ〜２ｇ、２ｉ〜２ｊに示す。図２ｂ、２ｆ、２ｉはポインティングベクトル分布（振幅マップ）を示し、図２ｃ、２ｇ、２ｊは振幅の角度プロファイルを示す。各シミュレーションについて、Ａｇの誘電率は６３３ｎｍにおいて−１６＋ｉ１．１と仮定し、６３３ｎｍ波長のＴＭ偏波光を基板法線に入射した。シミュレーションウインドウは２０μｍ×１５μｍである。ＦＤＴＤの結果は、１０ｎｍグリッド間隔と完全整合層（ＰＭＬ）境界条件を有する２ＤのＹｅｅ格子を用いて生成した。
【００２７】
通常は底面から入射する平面波について、スリット伝搬は基板法線から傾斜した放射パターンを示す。例えば図２ｃにおいて、メインローブは半値全幅が５０°でθ＝１４０°方向（基板法線から５０°傾斜）に向けられている。これは、図２ｈのようにダイポール軸が水平でフィルム表面に対して並行な従来スリットの放射パターンとは明確に異なる。後者の構造は、放射角２０°〜１６０°（基板法線から±７０°）において略均一なパワー分散を示している。
【００２８】
特定の理論に拘束されるわけではないが、傾斜ナノスリット開口構成は、入射波によって励起して金属フィルムに対して垂直に振動するダイポール類似の線状源として機能すると考えられている。開口に入射する横磁界（ＴＭ）偏波光については、金属は誘起される表面電流によって応答する。誘起電流は、反対側の角において異なる動作をする。すなわち、一方の角において電荷を蓄積し、他方において消耗させる。垂直開口におけるこのダイポール振動は、基板法線から離れて傾斜する方向へ入射エネルギーを再放射する効果を有する。
【００２９】
スリット角およびエッジ上で誘起されるダイポール電荷の量は、開口形状／サイズとエッジに対する入射場ベクトルの方向に依拠する。金属表面（スリットのエッジ）と相互作用する電磁波は、分極表面電荷を誘起し得る。その表面電荷密度は下記式で表すことができる。
【数１】
2013539063.tif 000003
【００３０】
Ｅ１とＥ２はそれぞれ、境界の金属側と誘電側における電界である。ｎ２１は基板に対する法線ベクトルである。ほとんどの金属／誘電体について｜εＭ｜＞＞｜εＤ｜であるため、表面上に誘起されるダイポール電荷の量は、金属の誘電率にあまり依拠しない。角領域における電荷誘起は、異なるプロセスをとる。入射波の反射により表面電流Ｊ＝ｎ×Ｈが誘起される。Ｈは表面上の総磁場である。この表面電流は次に、連続方程式によって規定される局所電荷を角において誘起する。その結果得られる表面電荷密度は、下記式で表すことができる。
【数２】
2013539063.tif 000004
【００３１】
Ｈｉｎは金属表面における入射磁界であり、ｒは反射係数である。ほとんどの金属において反射係数は−１近傍であり、これはダイポール電荷密度が金属の誘電率に依拠する度合いを無視できることを示している。この分析は、誘電率が異なる金属で作られた垂直ナノスリットが類似するダイポール強度（伝送スループット）の放射パターンを示すことを示している。
【００３２】
図２ｄは、図２ａの垂直ナノスリット構造を介した光伝送の実験計測結果を示す。２つのシミュレーション（図２ｂ〜２ｃ）と実験結果（図２ｄ）を比較すると、入力ビームの入射角によらず、放射パターンは基板法線から傾斜して離れていることが分かる。
【００３３】
放射角とスループットは、ナノスリットと傾斜構造の形状およびサイズに依拠する。段差エッジの低位側（段差の底面）の傾斜が少なくなる（水平に近くなる）と、放射パターンの傾斜は水平方向に近くなる。スリット幅が大きくなると、スリット伝送は減少する。伝送は、フィルム厚さにも依拠し、ある程度の厚さ上限まではフィルムが厚くなると増加する（〜λ／４）。
【００３４】
垂直ナノスリットの伝送スループットを、ビーム入射角の関数として計算した（図２ｋ）。放射パターンは同じ傾斜角を向いているが、ビームが斜めに入射するほど、すなわち開口放射方向と並行に近くなるほど、スループットは増加する。伝送効率は、総伝送パワー（自由空間放射と表面プラズモンパワーの両方）を、スリット断面上で減衰する入射パワーによって除算したものとして定義され、−４５°入射または法線入射において８０％レベルに達し、＋４５°入射において４００％に達する。（１００％を超える伝送効率は、ナノスリットが入射パワーを開口領域上において減衰する量以上に効率的に捕捉し伝送する、収束効果を示す。）この角度依存性は、入射電界ベクトルがダイポール軸と同じ方向を向いているとき、ダイポール電荷が最も誘起されることを示す。同じ金属厚さとスリット幅を有する水平スリットの場合は、伝送効率は法線入射において最大５３％である。垂直ナノスリット構造は、伝送入射パワーにおいて水平ナノスリットよりもパフォーマンスが優れていることに留意されたい。フィルムが厚くなると、このパフォーマンスの違いはさらに強くなる。これは、水平ナノスリットにおいては多大な伝送ロスが狭小チャネル領域において生じ、垂直スリットの場合はそのような導波路狭窄はなく減衰が生じないことを鑑みると、理解することができる。垂直ナノスリット構造の高スループット伝送と高指向性放射パターンにより、従来の屈折光学部品の限界を克服する可能性を提供することができる。
【００３５】
垂直ナノ開口構造の変形例
垂直ナノ開口の形状は、傾斜ダイポールナノ開口の本質を維持しつつ様々な方法で変形することができる（図１ｄ〜ｆ参照）。横方向のギャップを許容することにより、伝送スループットを増加させることができる。鋸刃表面の傾斜が少ない側にナノ開口を形成することにより、開口放射方向をより容易に所望方向へ調整することができる。したがって、図１ｃの垂直段差面１２７は完全な垂直方向に限られるものではなく、フィルム１１５の傾斜部１２０は基板の傾斜面１２１上のみに形成することに限られるものではない。換言すると、垂直段差面１２７は、基板法線１３１に対して並行ではない角度に向けることができる。また、傾斜部１２０は垂直段差面１２７上に延伸させることができる。
【００３６】
例えば垂直段差１２７は、基板法線１３１から角度αとなるように方向付けることができる。図１ｄ〜１ｅを比較すると、α１はα２よりも小さい。基板法線１３１と垂直段差面の間の角度αが９０°に近づくと、これにより得られる伝送は従来の水平開口アレイに近くなる。したがって、垂直ダイポール開口における垂直段差面の基板法線からの角度αは、０≦α＜９０°であり、例えば０〜４５°、０〜２０°、０〜１５°、または０〜１０°である。
【００３７】
図１ｆに示すように、傾斜部１２０は、符号１２０’と１２０’’のように垂直段差面１２７上に延伸する（覆いかぶさる）ことができる。換言すると、隣接する傾斜部１２０の側壁は、互いに近づけることができる。
【００３８】
したがって基板を介した放射は、角度αの組み合わせを適切にあらかじめ選択し、および／または、隣接する傾斜部間の距離をあらかじめ選択して開口領域を制限することにより、制御することができる。
【００３９】
ナノスリットアレイ
図３ａと３ｂは、垂直ナノスリットアレイを介した光伝送のＦＤＴＤ測定結果を示す。同垂直ナノスリットアレイは、７６０ｎｍ格子周期を有し、垂直もしくは傾斜（例えば図１ｂ）または水平ダイポール（例えば図１ａ）の２つの異なる開口方向を有する。ＴＭ偏波光（６３３ｎｍ波長）を様々な入射角で入射した。図３ｂに示すように、面内水平ダイポール開口を有する従来のナノスリットアレイは、０次伝送（正屈折）が主なビームである。これに対し、図３ａに示すように、６３３ｎｍ波長におけるＴＭ偏波光の同じ入射角１３０について、垂直ナノスリットアレイは−１次ビームのみを示す。特に入射角３０°について屈折角２０°が観察された。これは格子からの−１次回折に対応する。図３ｃに示すように、測定結果を入射角（０°〜４５°）の範囲にわたって取得した。
【００４０】
特定の理論に拘束されるわけではないが、各ナノスリット開口は、例えば図３ｄに示すように、入射波によって励起して金属フィルムに対して垂直に振動するダイポール類似の線状源として機能すると考えられている。開口に入射する横磁界（ＴＭ）偏波光については、金属は誘起される表面電流によって応答する。ギャップをまたがる反対側のエッジにおいて、誘起電流は電荷について異なる動作をする。すなわち、一方のエッジにおいて電荷を蓄積し、他方において消耗させる。開口におけるこのダイポール振動は、基板法線から離れて傾斜する方向へ入射エネルギーを再放射する。アレイに形成された場合、格子周期の波長に対する比は、開口放射が一定の方向へ加算的干渉して個々の開口の放射パターン範囲内で減衰するように設計することができる。格子回折の観点においては、この開口アレイは−１次回折（負屈折）のみをサポートし、広範な入射角にわたって０次（直接伝搬）および他の回折をブロックする。
【００４１】
垂直ダイポールナノ開口アレイにおける負屈折は、ブラッグ回折格子法則：ｓｉｎφ＝−ｓｉｎθ−ｍλ／ｄによって規定される。θは基板の外気側で測定した入射角である。φは出射側において測定した負屈折方向に対する屈折角である。ｄは格子周期、λは自由空間波長である。ｍは回折次数を表す整数である。負屈折の場合、ｍ＝−１である。したがって、屈折関係はｓｉｎφ＝−ｓｉｎθ＋λ／ｄと表される。２つの正屈折率媒体の境界において入射角を屈折角に関連付けているという観点において、この式は負屈折におけるスネルの法則として見ることができる。（この式において、基板効果は関与しないことに留意されたい。入射角は基板内ではなく外気側で定義されるからである。）
【００４２】
光ビーム整形
固定周期の傾斜部を有する垂直ダイポールナノ開口アレイ構造のような固定周期格子構造により、平行でコリメートされた入力ビームの負屈折を実現することができる。しかし、格子周期を局所的に変化させると、コリメートされていない入力ビームから平行コリメート出力ビームを形成し、または、平行コリメート入力ビームからコリメートされていない出力ビームを提供するための新たな機能をもたらすことができる。例えば図４ａは、非均一格子周期（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５）を有する垂直ダイポールアレイ構造における負屈折を示す。
【００４３】
拡散する入力ビームをコリメートされた平行ビームへ負屈折させるため、入射角と屈折角は局所的に上述のブラッグ法則を満たす必要がある。固定屈折角φに対して、局所格子周期は拡散する入射角θと合致しなければならない。すなわち、ｄ（θ）＝λ／（ｓｉｎθ＋ｓｉｎφ）である。従来の正屈折と同様に、負屈折についても有効屈折率を定義することができる。ｎ＝ｓｉｎφ／ｓｉｎθである。所与の入射ビームプロファイルについて固定有効屈折率を維持および／または実現するため（ｎは絶対値として定義される）、格子周期を以下のように局所的に変更する必要がある：ｄ（θ）＝λ／［（１＋ｎ）ｓｉｎθ］。
【００４４】
’鏡像（左右反転）’効果なしで後部を見るためのサイドミラー
従来のミラーにおいて、反射像の左右の光線成分は同じ距離を進む。したがって、ビーム伝搬方向がミラー反射によって反転すると、左右関係が反転する（見ている者にとって）。負屈折ミラー反射の場合、左右関係は反射後も変化せず、横方向において外周エッジの空間変位を生じる。垂直ナノスリットアレイによってサポートされる負屈折ビームにおいて、位相変化をオフセットするために必要な位相シフトは、縦方向における位相遅延によって提供される。光線成分の全体的な光路長差は、横方向に沿って次第に変化する必要があり、これはブラッグ法則によって規定される格子回折と干渉効果によって実現される。
【００４５】
上述の負屈折により、横前方向において後部をイメージ化する新たな機能を実現することができる。また、２つの異なる光学素子を同一の平坦平面上で結合する効果を有する。すなわち、サイドミラーとサイドウインドウである。したがって、負屈折ミラーによる反射は従来の「鏡像」、すなわち像の左右反転を生じないことに留意されたい。この非反転ミラー反射効果は、図４ｂ〜ｃに示すレイトレーシング図によって理解することができる。
【００４６】
ビーム収束
上述のように、垂直ダイポール開口アレイが内在的に有する、開口放射を所望方向に整形する性能に基づき、図５ａに示すようなアレイ構造は、従来の光学部品とは明確に異なる態様でビーム収束機能を実施することができる。例えば各ナノ開口は、特定方向へ向けた高指向性放射パターンを生成することにより、開口放射がアンテナ放射の角度範囲内の特定方向において加算的干渉する、ナノアンテナとして動作するように設計することができる。
【００４７】
平面入射波を収束させる垂直ダイポール開口アレイ３００の断面図を図５ａに示す。アレイ３００は、フィルム１１５を支持する基板（図示せず）を備える。フィルム１１５は複数の傾斜部１２０と複数の開口を備える。少なくとも２つの傾斜部１２０を少なくとも１つの開口によって分離することができる。また傾斜部は、入射ビームが開口を介して伝搬し、焦点において加算的干渉するように構成することができる。例えば傾斜部は、互いに異なる角度に構成することができる。さらには、互いに異なる角度に構成された傾斜部は、互いに異なる周期を有することができる。１実施形態において、図５ａに示すように、焦点の一方側における傾斜部は反時計回り角度に向けることができ、焦点の反対側の傾斜部は時計回り角度に向けることができ、これにより開口を介して伝搬するビームが焦点において収束するようにすることができる。
【００４８】
伝搬ビームが焦点において加算的干渉できるように、各開口についての焦点に対する位相遅延は、隣接開口の位相遅延から２πラジアン異なるように設計される。この位相遅延は、開口伝送における位相シフトを含む。開口方向、例えば傾斜方向も、傾斜を調整してメインローブを焦点方向へ向けることができる。これはすなわち、焦点における放射強度を最大化するためである。ホイヘンス＝フレネルの原理によれば、これは傾斜係数（傾斜度）を変更して、指向性高く選択した方向／領域における干渉を実現することと等価である。これら指向性の高い放射を用いて、ビームプロファイルを従来のゾーンプレートから大幅に改善することができる。
【００４９】
例えば従来のフレネルゾーンプレートは、対称で交互になった、不透明および透明領域のゾーンからなる。ゾーンプレートに入射する光は不透明エッジにおいて回折し、回折光は共通点において加算的干渉する。したがって、ゾーンエッジ回折の方向についての制御はできず、よって干渉パターンは通常、複数の焦点を生成する。これに対し、上述の図５ａに示すような垂直ダイポール開口アレイは、比較的スリット数が少なくとも、遠隔場の単一位置において鋭い焦点を生成することができる。
【００５０】
光を法線入射させるビーム収束の場合、負屈折は関連しないが、ナノ開口を介した伝搬放射を指向性高く上述の焦点のような共通点へ向けることができる。
【００５１】
各スリットの放射パターンの高指向性は、近接場から遠隔場にわたって単一の特定焦点を実現するのみならず、もう１つの重要な利点を提供する。広範な角度にわたって放射強度が１／ｒに依拠する、均一な角度分散を有する円筒波の場合とは異なり、高指向性開口放射は、遠隔場において減衰を大幅に抑えて焦点に到達することができる。これは、焦点から離れた位置にあるスリットからの寄与を拡大する効果を有し、横方向平面の空間周波数の有効帯域幅を増加させる。この後者の効果は、イメージ解像度を増大させることが期待される。例えば図５ｂは、アレイ表面から２λの距離において焦点を形成するように設計された垂直ダイポールナノ開口アレイの測定結果を示す。横スキャンプロファイルは、焦点における２１０ｎｍのＦＷＨＭを示す（図５ｃ）。これはλ／３に対応し、従来のビーム整形光学部品において得られる回折限界スポットサイズ（０．５〜１．２２λ）よりもはるかに小さい。遠隔場領域における回折限界を克服することにより、イメージングとフォーカスにおける多くの実用アプリケーションを実現することができる。
【００５２】
２次元（２Ｄ）ビーム整形のための垂直ナノ開口アレイ
上述の垂直ナノ開口アレイは１Ｄビーム整形機能のためのものであり、偏光に影響を受ける（ＴＭ偏波光を伝搬させ、ＴＥ波をブロックする）。図９ａに示す、十字形状ナノ開口（２つの直交する重なり合ったナノスリット）を、ここでは「十字開口」９２５と呼び、これはＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分をともに伝搬させることができる。図９ａの大きい黒矢印は、例えば電界方向を示す。
【００５３】
図９ｂに示すように十字形状ナノ開口９２５を２Ｄアレイに配列することにより、偏光に影響を受けない２Ｄビーム整形機能を実施することができる。図９ｃに示すように、十字開口を傾斜した金属フィルム部上に形成し、２Ｄダイポール軸（すなわち放射パターン）が基板法線から傾くようにすることができる。例えば十字開口９２５は、基板の傾斜面１２１上に配置することができる。また、十字開口を水平基板上に形成することもできる。十字開口９２５は、基板の垂直段差部１２７に配置することができる（図示せず）。
【００５４】
バルク薄膜太陽電池における吸収向上
従来の格子構造において、格子周期が十分小さく（Δ＜λ／２）設計されているとき、０次ビーム（直接伝搬）以外の格子回折は存在しない。垂直ダイポール開口アレイの場合、上述のように０次伝搬は完全に抑制される。伝送光は次に、直接伝搬なしで負屈折方向へ鋭角に曲げられる。ｍ＝−１についてのブラッグ条件は、短周期格子の場合にはもはや妥当ではない。適正な格子ベクトルが得られないからである。伝送光はビーム入射角によらず固定角へ屈折することが想定される。
【００５５】
材料境界における光の鋭角屈折（直接伝搬なし）は、厚さが限られている材料における光吸収を向上させる観点において興味深い。例えば薄膜ベースの光起電デバイスにおいて、入射光を薄膜へ向けて／薄膜内へ鋭角に曲げることにより、光を吸収するフィルム内の相互作用長を、大幅に増加させることができる。短周期格子の場合においては入射角によらずビーム屈折角は固定されたままであり、これにより太陽電池パネルは太陽を追跡する必要がなくなる可能性がある。
【００５６】
金属角部において一般に見られるファンネリング（電界集中）現象は、プラズモンプロセスを必要としない。上述の負屈折は格子回折を必要とし、プラズモンとは明確には関与しないことに留意されたい。したがって負屈折現象は、低導電性金属においても見られることが想定される。１Ｄ格子パターンを採用することにより、電極の電気接続性を維持しつつ、負屈折を介した光吸収を向上させるウインドウとして電極全体を機能させることができる。電極層の厚さは、反射と直接伝搬を最小化しつつ屈折伝送を最大化するように設計することができる。
【００５７】
１実施形態において、垂直ダイポールナノ開口アレイのようなナノスリットアレイは、薄膜光起電デバイスにおける吸収向上のために用いることができる。図６ａに示すように、電極などのフィルム１１５は、基板１３５によって支持されている。この実施形態において、基板は、上面または太陽面の電極を支持する従来の光起電セルにおけるその他全ての層を含むことができる。電極を垂直ナノ開口アレイにパターン化し、例えば太陽光などの入射光１３０がフィルムを介した直接伝搬なしで視射角方向へ鋭角に曲がるようにすることができる。
【００５８】
光起電アプリケーションについて、垂直ナノ開口アレイ構造は、入射光が視射角方向に送信されると仮定すると、正屈折方向においても動作することができる。光起電デバイスは、フィルム上に形成された垂直ナノ開口アレイを有する電極を備えるように設計することができる。この電極は、傾斜入射ビームがナノ開口電極を介して高効率（ファンネリング効果大）で直接伝搬し、直接伝搬光が視射角においてフィルムを介して伝搬するように構成される。図２ｋに示すデータによれば、垂直ナノ開口アレイ構造により、傾斜入射角において非常に高い直接伝搬光を実現することができる。例えば＋４５度入射角において４００％の伝送効率である。したがって、この強力なファンネリング効果を利用して、図６ｂに示すように太陽電池パネルを横方向に積層することにより、光起電システムのパワー性能を向上させることができる。
【００５９】
垂直ナノ開口アレイ構造の製造
垂直ナノ開口アレイ構造は、以下のステップにしたがって製造した。最初に水晶基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｓｅｉｋｏ  ＳＭＩ−３０５０ＳＥ）エッチングして、周期的な配置（７６０ｎｍ格子周期）で垂直段差（高さ２００ｎｍ）を有する鋸刃プロファイルを形成した。Ｇａイオンビーム（３０ｋｅＶ；１０ｐＡビーム電流）を用い、格子ベクトル方向に沿って、エッチングを深くする際には滞留時間を次第に増加させた。各格子周期スパン（７６０ｎｍ）は、階段状のプログレッシブエッチングにおいて、４０サブブロック（幅１９ｎｍ、長さ５０μｍ）に分割した。次に厚さ１４０ｎｍのＡｇ層を熱蒸発によって段差上に積層した。段差側壁に金属が積層することを避けるため、積層角度を基板法線からわずかに傾斜（１０度）させた。得られた側壁上のスリット幅は、６０ｎｍと推定される。このように製造した２５周期格子サンプルにおいて、パターン化領域は１９μｍ×５０μｍであった。垂直ナノ開口アレイの斜視ＳＥＭ画像を図７ａに示す。
【００６０】
大領域の垂直ナノ開口アレイ構造の製造
周期的構造または非周期的構造の大領域パターン化について、ホログラフ技術または電子ビームリソグラフィーをそれぞれ採用することができる。ホログラフィーにおいて、周期格子パターンは光レジスト表面上に形成され、プラズマエッチングを介してパターンが基板に転送され、メサエッチング表面上に金属を傾斜積層し、これによりメサ側壁において垂直ナノ開口アレイが形成される（図１０）。ＵＶレーザ（３２５ｎｍ波長）を利用してホログラフリソグラフィーを実施することができ、このレーザにより、３５０ｎｍの格子周期（またはｎ＝１．４５の屈折率整合流体を用いた〜２５０ｎｍ周期）が、〜１ｃｍ２のパターン領域で得られる。このホログラフリソグラフィーを採用して、１Ｄ格子パターンを露出間で９０°回転させて２重露出させることにより、２次元格子構造を形成することができる。大領域の非周期的アレイの場合において、プラズマエッチングおよび傾斜積層とともに、電子ビームリソグラフィーを採用することができる。上述の垂直ナノ開口の製造において重要な要件は、傾斜積層の金属厚さとともにメサ深さを適正に設計および／または制御して、上述のように基板の垂直段差表面と基板法線との間の角度αを最小化できるようにする必要があることである。
【００６１】
製造プロセスの１例において、図１０ａに示すように、周期格子パターン１６０のような格子パターンが、基板１３５上のフォトレジスト１６２上に形成される。図１０ｂに示すように、パターンは次に、プラズマエッチング１６４を介して基板１３５へ転送され、メサエッチング面を備えるメサパターン基板を形成する。メサエッチング面は、メサ１３５’およびメサ側壁１３６のような基板のオフセット部分を規定する。続いて、図１０ｃ〜ｄに示すように、メサエッチング面上の金属の傾斜積層１６６により、メサ側壁１７などの基板の垂直部分において垂直ナノ開口１２５のアレイが形成される。
【００６２】
この垂直ナノ開口アレイ構造の製造は、プラスチックフィルムなどのフレキシブル基板に適用することができる。メサ構造基板を適正な曲線形状に曲げ（凹または凸）、曲線基板上に金属の傾斜積層を実施することにより、基板の異なる部分上に垂直ナノ開口を形成することができる。
【００６３】
従来のナノスリットアレイの製造
面内水平ダイポール開口を有する従来のナノスリットアレイ構造を製造した。この従来構造のＳＥＭ画像を図７ｂ（上面図；スケールバー４μｍ）と７ｃ（断面図；スケールバー５００ｎｍ）に示す。最初に、厚さ１４０ｎｍのＡｇ層をＡｇの熱蒸発によって水晶基板上に積層した。次に収束イオンビームエッチング技術（Ｓｅｉｋｏ  ＳＭＩ−３０５０−ＳＥ  デュアルビームシステム：３０ｋｅＶ  Ｇａイオンビーム；１０ｐＡビーム電流）を用いて、ナノスリットアレイ（幅１００ｎｍ、長さ５０μｍ）をＡｇ層内に形成した。ナノスリットの通常のエッチング深さは２００ｎｍである。２５スリットアレイの格子周期は７６０ｎｍである。
【００６４】
垂直ナノスリットアレイの特性測定
ナノスリットアレイを介した光伝送プロファイルを、ナノプローブ（Ｖｅｅｃｏ  Ａｕｒｏｒａ  ＮＳＯＭ  プローブ  １７２０−００：厚さ１００ｎｍＡｌコート；直径８０ｎｍ開口；コア直径４μｍ、ＮＡ０．１１を有するテーパー形状の単一モードシリカファイバー上に形成；Ａｌコートされたテーパー部の全長１４００μｍ；テーパー角度４°）をスキャンすることによりイメージングした。ＴＭ偏波Ｈｅ−Ｎｅレーザビーム（６３３ｎｍ波長、１ｍｍビーム直径）を基板側に入射し、ナノ開口アレイの出射側の近距離場から遠距離場にわたってスキャンプローブをスキャンした。プローブ出力は光電子倍増管チューブ（Ｈａｍａｍａｔｓｕ  Ｈ７４６８−２０）を用いて測定した。スキャンプローブ実験は、Ｌａｂ  Ｖｉｅｗ  ７．０（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）のインターフェースを用いて自作スキャンステージ（ナノ位置合わせはＰＩ  Ｅ−６２１．１ＣＤ、サーボ制御はＥ−６６５．ＣＲ）で実施した。
【００６５】
図８は、基板表面に対して垂直配列されたナノプローブファイバー２５０を有する垂直ダイポール開口アレイをスキャンすることによってプロファイリングするプロセスを示す。スキャン範囲は、水平方向に６０μｍ（矢印２７０で示す）、垂直方向に４０μｍ（矢印２７１で示す）である。スキャンステップサイズは、水平方向と垂直方向にそれぞれ５０ｎｍ、１５７ｎｍである。
【００６６】
他の実施形態
本明細書のナノ光学構造は、入射光が例えば光起電デバイスの活性層と結びつく（すなわち伝搬する）メカニズムを変更するように設計されている。従来の反射光学法則によって規定される、バルク誘電境界における伝搬／反射の場合とは異なり、入射光はナノ光学垂直ダイポールアレイを介して光屈折率活性層（例えばシリコン）に対して視射角伝搬をなすことができる。よって伝送効率を広範な入射角にわたって高めることができる。活性層と結びつく（すなわち伝搬する）光は視射角方向（面内方向）に沿って伝搬するので、活性層内の経路長は層厚さよりも大幅に大きくすることができる。
【００６７】
垂直ダイポールアレイを介した光伝搬は、視射角に対して非相反となるように設計することができる。これはナノ光学電極が、活性層において光視射角伝搬に対するミラーとしても機能できることを示唆する。図１４ｃに示すように、前面４０５上の非相反伝搬電極４１５が底面側反射器４０７と連結して共鳴空洞構造４３５を形成すると、活性層１３９に結び付けられた入射光１３０、１３０’、１３０’’が捕捉され、これによりフィルム方向４３３内を伝搬する間に完全に吸収される。
【００６８】
視射角伝送／伝搬により、接合場が生じる場所においてほとんどの入射光を吸収することができる。これにより、材料品質への依存性を小さくしつつ光生成キャリアの収集効率を向上させることができる。これは、薄膜太陽電池において特に重要で有用な特性である。
【００６９】
図１１ｂに示す上述した垂直ナノスリット伝搬の入射角依存性は、ナノ開口金属層にわたって光の非相反伝搬を提供する。上述のように、この現象は薄膜太陽電池における光吸収を向上させる目的で利用することができる。例えば図１４ｃに示すように、誘電層（シリコンフィルム）をナノ開口金属層１１５と金属フィルム４０７で挟む。上面電極１１５は、傾斜入射に対する伝搬性が高いように設計されている。ナノ開口アレイを介して誘電層に結び付けられた入射光は、視射角方向に伝搬し、底面ミラーによって逆反射する。底面反射した光は、上面ミラーへ負入射角方向に入射する。上面電極層１１５は、高反射である。この非相反伝搬と底面側反射機能を組み合わせた構成により、捕捉光の面内伝搬をサポートしつつ、垂直方向において入射光を捕捉することができる。これにより、ミラーとして動作する２つのフィルム間の複数回反射を介して、誘電層における光路長を増やすことができる。
【００７０】
上述のサンドイッチ構造は、ファブリペロー共振器としてモデル化することができる。空洞領域における吸収向上は、以下の性能指数Ｆ＝ＡＱによって表すことができる。Ａは活性層の吸収度であり、ＱはＦＰ空洞のＱ値である。Ｑはミラー反射率Ｒ１およびＲ２、活性層吸収係数α、フィルム厚さｔによって決定される。
【数３】
2013539063.tif 000005
【００７１】
フィルム厚さが小さい弱吸収媒体（αｔ＜＜１）については、Ｑ値は以下のように近似することができる。
【数４】
2013539063.tif 000006
【００７２】
Ｑ値は、入力エネルギーを消散させる発振（往復反射）の数を示す。この式を参照すると、吸収向上は以下の観点から得られることが想定される。１番目に、視射角伝搬自体が有効吸収係数（α／ｃｏｓθ）を増加させる効果を有する。２番目に、ＦＰ空洞は有効伝搬長を１／［（１−Ｒ１）（１−Ｒ２）］倍に増加させる。入射光が受け入れコーンの角度範囲内で垂直ダイポールナノスリットアレイに到着し、上面ミラーについてＲ１＝０．８〜０．９であり底面ミラーについてＲ２＝０．９７〜０．９９であると仮定すると、空洞内の吸収向上（経路長の増加）は、１７０〜１０００であると想定される。これは従来のランダムベースランバート限界４ｎ２（ｎ＝３．５について〜５０）よりもはるかに大きい。
【００７３】
上述のように、本発明にしたがって垂直ダイポールナノ開口アレイのようなアレイを用いて、薄膜光起電デバイスにおける吸収を向上させることができる。例えば、本発明のナノ開口アレイは、太陽電池基板１３５上に、またはナノ光学電極などの電極１１５として動作する太陽電池の活性層１３９上に直接形成することができる。アレイをこのように形成することにより、光を活性層に結びつけ、これにより光吸収や光キャリア収集などの光起電プロセスの基本性能特性を向上させ、デバイス効率を向上させることができる。垂直ナノ開口アレイは、図１２ａ〜１２ｂに示すように、入射光１３０を活性層において視射角方向１１２’に向け、その結果として誘電層と光の干渉特性が変化する。例えば、垂直ナノ開口アレイ１２００は、基板１３５内において、メサパターン基板１３５のメサ部１３５’の垂直部１２７に形成された垂直ナノ開口１２５を介した伝搬により、入射光１３０、１３０’、１３０’’を、視射角１１２’、１１２’’へ向ける。ナノ開口アレイ１２００において、電極フィルム１１５は、垂直段差面１２７においてナノ開口１２５によって分離されたオフセット部１２２を有する。垂直段差面１２７は、上述のように基板１３５をエッチングすることによって形成されたメサ１３５’の側壁を規定する。
【００７４】
したがって、広範な入射角１３０、１３０’、１３０’’において、本発明のナノスリットアレイは、高スループットと活性層１３９に対する光の傾斜伝搬の組み合わせを提供することができる。その結果、所与のフィルム厚さについて光路長を増加させることによって、吸収を向上させることができる。換言すると、垂直ナノスリットアレイにより、傾斜入射における光の非相反伝搬を実現することができる。例えば太陽電池に統合すると、図１３ａ〜１３ｃに示すように、アレイは入射光を活性層１３９内に捕捉し、伝搬中に複数回反射１３３とほぼ完全な吸収を生じさせることができる。
【００７５】
本発明のナノ光学電極は、高導電性を提供するための金属厚さまたはカバー範囲と、従来の光起電設計の透明性要件との間の、相反する要求に関する課題を解決する。視射角伝搬および／または本発明の垂直ナノスリットアレイを用いることによって可能になる伝搬により、ほとんどの光を、太陽電池内の接合場が生じる金属／活性層境界近傍において吸収することができる。これにより、光生成キャリアの収集効率を改善することができる。これは薄膜太陽電池において特に重要かつ有用である。
【００７６】
大傾斜角までの広範な入射角にわたる高スループット伝搬は、上述のようにナノ光学電極を用いることによって可能になる。これにより、太陽放射の吸収を最大化しつつ、太陽をトラッキングする必要がなくなる。
【００７７】
本発明による傾斜入射動作モードは、都市部アプリケーションに適している。例えば本発明の１実施形態において、垂直ナノスリットは太陽電池上のナノ光学電極として利用され、光起電パネル（ＰＶパネル）上に統合される。ＰＶパネルは、建物表面、側壁、屋根に取り付け、これにより通常は限られた入射角で限られた量しか得られない入射太陽エネルギーを、最大限収集することができる。
【００７８】
非偏波光のための２Ｄアレイ
上述の垂直ダイポール金属ナノスリットアレイ構造は、入射光がＴＭ偏波であることを想定している。しかし、非偏波光のＴＥ偏波成分は、金属上のダイポール発振を直接励起し得ず、よってスリットを介して伝搬し得ない。この課題に対処するため、すなわちこの偏波成分の視射角伝搬も可能にするため、図１６に示すように別のスリットアレイを形成することができる。この２Ｄアレイ１６００において、新たな格子ベクトルは、入射面に対して法線方向である。任意の入射角において、電界は常にこの新たな格子構造の垂直側壁に対して垂直である。ＴＭの場合と同様に、ナノスリット放射パターンは、視射角方向へ傾斜している。しかしＴＭの場合とは異なり、このナノスリット伝搬の伝搬方向は、入射ビーム方向に対して垂直である。２Ｄアレイは、非偏波光（ＴＭ偏波成分とＴＥ偏波成分の双方）を結びつけるために設計された、少なくとも２セットの１Ｄ格子構造を備えることができる。１Ｄ格子構造は、例えば上述の図１Ｄに示すように、鋸刃プロファイルの傾斜構造として構成することができる。少なくとも１つの１Ｄ格子構造を１方向に延伸させ、少なくとも１つの他の１Ｄ格子構造を他方向に延伸させることができる。１Ｄ格子構造は、共通点から延伸させ、０〜９０°範囲の角度で分離することができる。
【００７９】
図１６ａに示すように、２Ｄナノ開口アレイ構造１６００は、図１６ｂに示すように第１方向に延伸する１Ｄ格子構造と、図１６ｃに示すように第１方向に延伸する他の格子構造を備える。この格子構造は、金属層が積層される鋸刃プロファイルを有する上面で形成された共通基板を共有することができる。
【００８０】
上述の実施形態のなかには、フィルムが基板によって支持されるものがあるが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、フィルムは自己支持することができる。さらに実施形態によっては、傾斜部を異なる角度に調整して、伝搬放射方向を調整できるようにすることができる。また、基板はフレキシブルでもよいし剛性のものでもよい。
【００８１】
以上の本発明の説明は、説明目的で提示した。これは本発明を開示した範囲内において網羅し、または限定することを意図したものではなく、上述の開示に鑑みて修正や変形が可能であり、また本発明の実施からそれらを得ることもできる。図面と説明は本発明の原理とその実用アプリケーションを説明するために選択したものである。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその等価物によって定義されることが意図される。
【図１ａ】
2013539063.tif 000007
【図１ｂ】
2013539063.tif 000008
【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図２ａ】
2013539063.tif 000013
【図２ｂ】
2013539063.tif 000014
【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図２ｈ】
2013539063.tif 000020
【図２ｉ】
2013539063.tif 000021
【図２ｊ】
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【図２ｋ】
2013539063.tif 000023
【図３ａ】
2013539063.tif 000024
【図３ｂ】
2013539063.tif 000025
【図３ｃ】
2013539063.tif 000026
【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
2013539063.tif 000029
【図４ｃ】
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【図５ａ】
2013539063.tif 000031
【図５ｂ】
2013539063.tif 000032
【図５ｃ】
2013539063.tif 000033
【図６ａ】
2013539063.tif 000034
【図６ｂ】
2013539063.tif 000035
【図７ａ】
2013539063.tif 000036
【図７ｂ】
2013539063.tif 000037
【図７ｃ】
2013539063.tif 000038
【図８】
2013539063.tif 000039
【図９ａ】
2013539063.tif 000040
【図９ｂ】
2013539063.tif 000041
【図９ｃ】
2013539063.tif 000042
【図１０ａ】
2013539063.tif 000043
【図１０ｂ】
2013539063.tif 000044
【図１０ｃ】
2013539063.tif 000045
【図１０ｄ】
2013539063.tif 000046
【図１１ａ】
2013539063.tif 000047
【図１１ｂ】
2013539063.tif 000048
【図１２ａ】
2013539063.tif 000049
【図１２ｂ】
2013539063.tif 000050
【図１３ａ】
2013539063.tif 000051
【図１３ｂ】
2013539063.tif 000052
【図１３ｃ】
2013539063.tif 000053
【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
2013539063.tif 000056
【図１５ａ】
2013539063.tif 000057
【図１５ｂ】
2013539063.tif 000058
【図１５ｃ】
2013539063.tif 000059
【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【国際調査報告】
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