(57)【要約】      （修正有）【課題】局所的に高い電場増強を得ることが可能なプラズモン共鳴構造体を提供する。【解決手段】プラズモン共鳴構造体１は、平面視周期的に形成された複数の凸部２１と複数の凸部の間に形成された複数の凹部２２とを含む凹凸構造部２０を有する。凸部は断面視で上底２１Ｔが下底２１Ｂよりも小さい略台形状であり、複数の凸部の周期間隔をＰ［ｎｍ］とし、断面視において、凸部の下底の幅をＷ［ｎｍ］とし、凸部の下底に対する側面２１Ｓの傾斜角度をθ［°］としたとき、Ｐが１０〜１０００ｎｍであり、θが７０°以上９０°未満であり、下記式（１）で表されるパラメータＡが０．０３５以下であり、下記式（２）で表されるパラメータＢが２０ｎｍ以下である。2015025662.tif 000009【選択図】図１
2015025662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視周期的に形成された複数の凸部と当該複数の凸部の間に形成された複数の凹部とを含む凹凸構造部を有する金属体からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じるプラズモン共鳴構造体であって、
前記凸部は断面視で上底が下底よりも小さい略台形状であり、
前記複数の凸部の周期間隔をＰ［ｎｍ］とし、
断面視において、前記凸部の前記下底の幅をＷ［ｎｍ］とし、前記凸部の前記下底に対する側面の傾斜角度をθ［°］としたとき、
Ｐが１０〜１０００ｎｍであり、
θが７０°以上９０°未満であり、
下記式（１）で表されるパラメータＡが０．０３５以下であり、
下記式（２）で表されるパラメータＢが２０ｎｍ以下であるプラズモン共鳴構造体。
【数１】
2015025662.tif 000008
【請求項２】
前記凸部は略円錐台状であり、前記複数の凸部の平面周期パターンの単位が三角格子状パターンまたは四角格子状パターンである請求項１に記載のプラズモン共鳴構造体。
【請求項３】
前記凸部は断面視略台形状のラインパターンである請求項１に記載のプラズモン共鳴構造体。
【請求項４】
Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、およびＣｕからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を含む請求項１〜３のいずれかに記載のプラズモン共鳴構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズモン共鳴構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面にナノオーダーの凹凸構造を有する金属微細構造体、および平面的に配列された複数のナノオーダーの金属微粒子等では、金属表面に光が入射したときに金属表面の自由電子の粗密波（表面プラズモン波）が入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴して励起される。この現象は、表面プラズモン共鳴と呼ばれる。
プラズモン共鳴は、金属の種類と形状とサイズ、および周囲の物質等に応じた特定の波長領域で生じる。また、このプラズモン共鳴によって、金属の表面およびその近傍では非常に強い増強電場が発生する。
プラズモン共鳴構造体は、特定位置での光吸収量の増大および電場増強効果、さらには高次の光学効果の誘起などの効果が報告され、高感度センサ、光学フィルタ、および光電変換素子等の光学デバイスへの応用が期待されている。このような用途では、より狭い範囲において電場増強を集中させることによって、光と分子の相互作用を高められると考えられる。
【０００３】
特許文献１には、ナノオーダーの複数のロッド状の金属微粒子を含むプラズモン共鳴構造体が開示されている（請求項１）。
【０００４】
特許文献２には、高さが１００〜１００００ｎｍ、幅が２０〜１０００ｎｍ、アスペクト比が２〜１０である複数の凸部と、これら複数の凸部の表面に積層された厚さ４０〜１２０ｎｍの金属膜と、この金属膜の表面に積層された誘電体層とを有するプラズモン共鳴構造体が開示されている（請求項１）。
特許文献２の図１および図２には、複数の略円錐状の凸部が隙間なく配列した態様が記載されている。
【０００５】
特許文献３には、周期的に配置された複数の金属微細突部を有し、各金属微細突部は基板から離間するに従い先細となるように形成されており、各金属微細突部間は平坦な露出面を有する平坦部により接続されているプラズモン共鳴構造体が開示されている（請求項１）。特許文献３の図２には、複数の略円錐状の凸部が間隔を空けて配列した態様が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／０９２９６３号
【特許文献２】特開２００７−２４０３６１号公報
【特許文献３】特開２００８−１９６８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のプラズモン共鳴構造体では、複数の金属微粒子間の空隙に入射した光は透過してしまうため、光を有効に利用できない。また、電場増強位置は制御されておらず、特定の狭い場所に電場を集中させることは困難である。
特許文献２、３に記載のプラズモン共鳴構造体では、電場増強位置は制御されておらず、基本的には略円錐状の凸部の表面全体にプラズモン電場が存在する。
特許文献１〜３の構造設計では、局所的に高い電場増強を得ることが困難である。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、局所的に高い電場増強を得ることが可能なプラズモン共鳴構造体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のプラズモン共鳴構造体は、
平面視周期的に形成された複数の凸部と当該複数の凸部の間に形成された複数の凹部とを含む凹凸構造部を有する金属体からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じるプラズモン共鳴構造体であって、
前記凸部は断面視で上底が下底よりも小さい略台形状であり、
前記複数の凸部の周期間隔をＰ［ｎｍ］とし、
断面視において、前記凸部の前記下底の幅をＷ［ｎｍ］とし、前記凸部の前記下底に対する側面の傾斜角度をθ［°］としたとき、
Ｐが１０〜１０００ｎｍであり、
θが７０°以上９０°未満であり、
下記式（１）で表されるパラメータＡが０．０３５以下であり、
下記式（２）で表されるパラメータＢが２０ｎｍ以下であるプラズモン共鳴構造体である。
【００１０】
【数１】
2015025662.tif 000003
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、局所的に高い電場増強を得ることが可能なプラズモン共鳴構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る一実施形態のプラズモン共鳴構造体の全体模式断面図である。
【図２Ａ】図１の部分拡大図である。
【図２Ｂ】図１の部分拡大図である。
【図３】[実施例]の項における計算モデルを示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
「プラズモン共鳴構造体」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態のプラズモン共鳴構造体の構造について説明する。
図１は本実施形態のプラズモン共鳴構造体の全体模式断面図である。  
図２Ａおよび図２Ｂは、図１の部分拡大図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態のプラズモン共鳴構造体１は、基部１０とその上に一体形成された凹凸構造部２０とを有する金属体からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じる構造体である。
凹凸構造部２０は、平面視周期的に形成された複数の凸部２１とこれら複数の凸部２１の間に形成された複数の凹部２２とからなる。
凸部２１は断面視で上底２１Ｔが下底２１Ｂよりも小さい略台形状である。
ここで、「略台形状」とは、台形状、その面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
【００１５】
凸部２１は、略円錐台状でもよいし、断面視略台形状のラインパターンでもよい。
凸部２１が略円錐台状である場合、複数の凸部２１の平面周期パターンの単位は特に制限なく、三角格子状パターン、および四角格子状パターン等が挙げられる。
【００１６】
プラズモン共鳴構造体１の構成金属は特に制限されず、用いる光の波長、プラズモン共鳴構造体１の材料コストと製造方法と生産性等に応じて選択される。
少なくとも凹凸構造部２０は、プラズモン共鳴が効果的に起こる金属を含むことが好ましく、具体的には、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、およびＣｕからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を含むことが好ましく、Ａｇおよび／またはＡｕを含むことがより好ましい。
なお、基部１０において、凸部２１が形成されていない部分の露出表面が凹凸構造部２０の凹部２２の底面２２Ｂである。したがって、凹凸構造部２０がプラズモン共鳴が効果的に起こる金属を含むということは、凸部２１のみならず、少なくとも基部１０の表層部分は、プラズモン共鳴が効果的に起こる金属を含むということである。
プラズモン共鳴構造体１は同一材料の一体であってもよいし、異なる材料の積層体であってもよい。
【００１７】
プラズモン共鳴構造体１の製造方法は特に制限されない。
プラズモン共鳴構造体１はたとえば、基板上に形成された熱可塑性樹脂層に対して、凹凸構造部２０のパターンと同一の凹凸パターンを有するモールドを用いてパターン転写を行い、この上に、そのパターン形状に沿ってＡｇおよび／またはＡｕ等のプラズモン共鳴を生じる金属を積層し、得られた金属体をモールドから剥離することで、製造できる。
たとえば、基板として金属基板を用いる場合、熱可塑性樹脂層上に電解メッキ等によりＡｇおよび／またはＡｕ等の金属を積層することができる。たとえば、熱可塑性樹脂層上に金属体を形成した後、得られた構造体を熱可塑性樹脂層が溶解する溶媒に浸漬させ、熱可塑性樹脂層を溶解させることで、金属体を熱可塑性樹脂層から剥離することができる。
【００１８】
上記方法において、基本的には、モールドの凹凸パターンは、凹凸構造部２０のパターンと同一パターンで設計されるが、実際に製造されるプラズモン共鳴構造体１の凹凸パターンは、凸部２１のエッジ形状等が設計パターンとは多少異なる場合がある。
【００１９】
本実施形態のプラズモン共鳴構造体１は、ナノオーダーの凹凸構造部２０を有しているので、幅広い波長と偏光の光に対してプラズモン共鳴が効果的に起こり、電場増強効果が得られる。
【００２０】
本実施形態ではさらに、下記設計を採用することで、局所的な電場増強効果が得られる。
本実施形態のプラズモン共鳴構造体１において、
複数の凸部２１の周期間隔をＰ［ｎｍ］とし、
断面視において、凸部２１の下底２１Ｂの幅をＷ［ｎｍ］とし、凸部２１の下底２１Ｂに対する側面２１Ｓの傾斜角度をθ［°］としたとき、
Ｐが１０〜１０００ｎｍであり、
θが７０°以上９０°未満であり、
下記式（１）で表されるパラメータＡが０．０３５以下であり、
下記式（２）で表されるパラメータＢが２０ｎｍ以下である。
【００２１】
【数２】
2015025662.tif 000004
【００２２】
図中、Ｇは互いに隣接する凸部２１の間隙（ギャップ）［ｎｍ］である。なお、Ｗ＝Ｐ−Ｇ［ｎｍ］である。
図中、ＴＷは凸部２１の上底２１Ｔの幅である。θの大きさにもよるが、ＴＷは０．２×Ｐ程度である。
【００２３】
図面上、パラメータＡ、Ｂの大きさは、図２Ａおよび図２Ｂで示される。
図２Ａにおいて、凹部２２の底面２２ＢからＰ／１００の高さの位置の例を破線で示してある。この凹部２２の底面２２ＢからのＰ／１００の高さの位置に対して、Ｐ／１００・ｔａｎ（９０°−θ）とパラメータＰ×Ａの大きさを図示してある。パラメータＡは、周期Ｐに対する互いに隣接する凸部２１の間の相対的な大きさを表すパラメータである。
図２Ｂにおいて、１０ｎｍの高さの位置の例を破線で示してある。この凹部２２の底面２２Ｂからの１０ｎｍの高さの位置に対して、１００×ｔａｎ（９０°−θ）とパラメータＢの大きさを図示してある。パラメータＢは、互いに隣接する凸部２１の間の絶対的な大きさを表すパラメータである。
【００２４】
本実施形態では、凸部２１の側面２１Ｓの傾斜角度θを大きく設計している。これにより、凹凸構造部２０の表面およびその近傍に表面プラズモンを誘起できる。
さらに複数の凸部２１を互いに充分に近接させることによって、生じた表面プラズモンを複数の凸部２１間に集中させることができる。この際、生じた表面プラズモンは、互いに隣接する凸部２１間の間隙が狭い下底２１Ｂ側により多く集中させることができる。
したがって、上記設計のプラズモン共鳴構造体１では、凹部２２の底面２２Ｂおよびその近傍において、局所的に電場が増強される。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、局所的に高い電場増強を得ることが可能なプラズモン共鳴構造体１を提供することができる。
本実施形態のプラズモン共鳴構造体１では、凹部２２の底面２２Ｂおよびその近傍において、大きな電場増強効果が得られ、光センサ、光学フィルタ、および光電変換素子等の光学デバイスに好ましく適用できる。
【実施例】
【００２６】
本発明に係る実施例および比較例について説明する。
【００２７】
（実施例１〜２６、比較例１〜１６）
図１に示したような断面構造のプラズモン共鳴構造体について、凸部２１の形状と材質、周期Ｐ、凸部２１の下底２１Ｂの幅Ｗ、および側面２１Ｓの傾斜角度θを変えて、表面およびその近傍の電場強度の空間分布を、ＦＤＴＤ法（Ｒ−Ｓｏｆｔ社製のＦｕｌｌＷＡＶＥ）を用いてシミュレーションした。
【００２８】
各例における設計条件は表１〜表３に示す通りとした。
実施例１〜１４および比較例１〜８（表１）では、凸部２１の形状を円錐台状とし、材質を銀とし、複数の凸部２１の平面周期パターンの単位を三角格子状パターンとした。
実施例１５〜１９および比較例９〜１３（表２）では、凸部２１の形状を円錐台状とし、材質を金とし、複数の凸部２１の平面周期パターンの単位を三角格子状パターンとした。
実施例２０〜２６および比較例１４〜１６（表３）では、凸部２１の形状をラインパターンとし、材質を銀とした。
金と銀の誘電関数はソフトのデフォルトをそのまま用いた。
周囲物質は空気（誘電率は１）とした。
【００２９】
計算モデルを図３に示す。図中、図１のプラズモン共鳴構造体と同じ構成要素には同じ参照符号を付してある。
基部１０の上面（複数の凸部２１の下底２１Ｂを含む面）をＸ−Ｙ平面とし、凸部２１の高さ方向をＺ方向とした。
断面視において、光源Ｌは、ある１個の凸部２１の図示右半分（図示右側の側面および上底の図示右半分）と、この凸部２１とその図示右側に隣接する凸部２１との間隙の図示左半分の上方にあり、Ｙ方向に振動しながらＺ方向に進む光がプラズモン共鳴構造体に入射する設定とした。
入射光は中心波長５５０ｎｍのパルス波とし、出力はＦＦＴ解析により求めた。
光源Ｌの下方を計算領域ＣＡＬとした。
Ｘ方向とＹ方向は対称条件とした。
垂直方向（Ｚ方向）は入射した電場を完全に吸収し、一度境界に到達した光が他に影響しないような条件（完全吸収条件）とした。
【００３０】
Ｙ−Ｚ平面での電場ＥＹ（あるＺ位置においてＹ方向に振動する光の電場）を求め、電場強度の空間分布を求めた。
下記式より、最大の電場増強度を求めた。
最大の電場増強度＝｜ＥＭＡＸ｜２／｜Ｅ０｜２
（式中、ＥＭＡＸは最大電場の振幅、Ｅ０は入射電場の振幅をそれぞれ示す。）
【００３１】
各実施例および各比較例における最大の電場増強度を表１〜表３に示す。
Ｐが１０〜１０００ｎｍであり、θが７０°以上９０°未満であり、パラメータＡが０．０３５以下であり、パラメータＢが２０ｎｍ以下の設計とした実施例１〜２６では、パラメータＡまたはパラメータＢを規定外の設計とした比較例１〜１６に対して、最大の電場増強度が飛躍的に向上することが分かった。
電場の空間分布のシミュレーション結果から、実施例１〜２６では、凹部２２の底面２２Ｂおよびその近傍において、局所的に電場が大きく増強されることが分かった。
【００３２】
【表１】
2015025662.tif 000005
【００３３】
【表２】
2015025662.tif 000006
【００３４】
【表３】
2015025662.tif 000007
【００３５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のプラズモン共鳴構造体は、光センサ、光学フィルタ、および光電変換素子等の光学デバイスに好ましく適用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１  プラズモン共鳴構造体
１０  基部
２０  凹凸構造部
２１  凸部
２１Ｔ            上底
２１Ｂ  下底
２１Ｓ            側面
２２  凹部
２２Ｂ            底面
【図１】
2015025662.tif 000010
【図２Ａ】
2015025662.tif 000011
【図２Ｂ】
2015025662.tif 000012
【図３】
2015025662.tif 000013