(57)【要約】【課題】微粒子におけるＳＥＲＳを効率的に発生させる。【解決手段】第１面１０４に垂直な方向に見て、複数の微粒子１０６は、互いに離間して規則的に配列されている。さらに各微粒子１０６のうち第１面１０４に垂直な方向において第１面１０４に対向する表面は、第１表面１０６ａを含んでいる。第１表面１０６ａは、第１面１０４に垂直な方向から見た場合の外側から内側に向かって第１面１０４に対して傾斜している。【選択図】図２
2015087299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面を有する基板と、
前記第１面に固定され、金属または金属酸化物からなる複数の微粒子と、
を備え、
前記第１面は金属または無機誘電体により形成され、かつ、平坦であり、
前記第１面に垂直な方向から見て、前記複数の微粒子は、互いに離間して規則的に配列されており、
各微粒子のうち前記第１面に垂直な方向において前記第１面に対向する表面は、前記第１面に垂直な方向から見た場合の外側から内側に向かって前記第１面に対して傾斜している第１表面を含む光増強素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光増強素子であって、
各微粒子のうち前記第１面に垂直な方向において前記第１面に対向する表面は、前記第１面に垂直な方向から見て前記第１表面に囲まれ、かつ、前記第１面に接する第２表面を含み、
前記第１表面を前記第１面に正射影して得られる第１射影面積は、前記第２表面を前記第１面に正射影して得られる第２射影面積よりも大きい光増強素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光増強素子であって、
前記第１射影面積および前記第２射影面積の合計に対する前記第１射影面積の比は、０．７５以上である光増強素子。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光増強素子であって、
前記複数の微粒子の表面には表面修飾剤が吸着しており、前記第２表面は、前記表面修飾剤を介して前記第１面と接している光増強素子。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載の光増強素子であって、
各微粒子は、球状である光増強素子。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の光増強素子であって、
前記第１面が、
第１方向に延在した第１直線と、
前記第１直線に平行な第２直線と、
前記第１直線と前記第２直線との間に設けられ、前記第１方向に延在し、前記第１方向と直交する第２方向に前記第１直線および前記第２直線とともに周期的に配列される１または複数の第３直線と、
前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交する第４直線と、
を含む場合、
前記複数の微粒子は、前記第４直線と、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と、の交点上に設けられ、
前記第１直線を介して前記第２直線と対向する側における前記第４直線上には、前記第１直線から、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられておらず、
前記第２直線を介して前記第１直線と対向する側における前記第４直線上には、前記第２直線から、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられていない光増強素子。
【請求項７】
請求項６に記載の光増強素子であって、
前記第１直線と前記第２直線とによって挟まれる領域には、前記第４直線から、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられていない光増強素子。
【請求項８】
請求項７に記載の光増強素子であって、
前記第１面が、
前記第２直線を介して前記第１直線と対向し、前記第４直線と直交する第５直線と、
前記第５直線を介して前記第２直線と対向し、前記第４直線と直交する第６直線と、
前記第５直線と前記第６直線との間に設けられ、前記第４直線と直交し、前記第２方向に前記第５直線および前記第６直線とともに周期的に配列される１または複数の第７直線と、
前記第４直線に平行で、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線に直交する第８直線と、
をさらに含む場合、
前記複数の微粒子は、前記第４直線と、前記第５直線、前記第６直線および前記第７直線と、の交点上、および前記第８直線と、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と、の交点上にも設けられている光増強素子。
【請求項９】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の光増強素子であって、
前記第１面が、
第１方向に延在した第１直線と、
前記第１直線に平行な第２直線と、
前記第１直線と前記第２直線との間に設けられ、前記第１方向に延在し、前記第１方向と直交する第２方向に前記第１直線および前記第２直線とともに周期的に配列される１または複数の第３直線と、
前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交する第４直線と、
前記第４直線に平行で、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交する第５直線と、
前記第４直線と前記第５直線との間に設けられ、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交し、前記第１方向に前記第４直線および前記第５直線とともに周期的に配列された１または複数の第６直線と、
を含む場合、
前記複数の微粒子は、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線と、の交点上に設けられ、
前記第１直線を介して前記第２直線と対向し、前記第４直線と前記第５直線とによって挟まされる領域には、前記第１直線から、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられておらず、
前記第２直線を介して前記第１直線と対向し、前記第４直線と前記第５直線とによって挟まされる領域には、前記第２直線から、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられていない光増強素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の光増強素子であって、
前記第４直線を介して前記第５直線と対向し、前記第１直線と前記第２直線とによって挟まされる領域には、前記第４直線から、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられておらず、
前記第５直線を介して前記第４直線と対向し、前記第１直線と前記第２直線とによって挟まされる領域には、前記第５直線から、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線の配列の周期の距離の範囲内に他の微粒子が設けられていない光増強素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光増強素子であって、
前記第１面が、
前記第２直線を介して前記第１直線と対向し、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線と直交する第７直線と、
前記第７直線に平行で、前記第７直線を介して前記第２直線と対向し、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線と直交する第８直線と、
前記第７直線と前記第８直線との間に設けられ、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線と直交し、前記第２方向に前記第７直線および前記第８直線とともに周期的に配列された１または複数の第９直線と、
前記第４直線を介して前記第５直線と対向し、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交する第１０直線と、
前記第１０直線に平行で、前記第１０直線を介して前記第４直線と対向し、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交する第１１直線と、
前記第１０直線と前記第１１直線との間に設けられ、前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と直交し、前記第１方向に前記第１０直線および前記第１１直線とともに周期的に配列された１または複数の第１２直線と、
をさらに含む場合、
前記複数の微粒子は、前記第４直線、前記第５直線および前記第６直線と、前記第７直線、前記第８直線および前記第９直線と、の交点上および前記第１直線、前記第２直線および前記第３直線と、前記第１０直線、前記第１１直線および前記第１２直線と、の交点上にも設けられている光増強素子。
【請求項１２】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の光増強素子であって、
前記第１面が、
第１方向に延在した第１直線と、
前記第１直線に平行な第２直線と、
前記第１直線および前記第２直線と直交する第３直線と、
を含む場合、
前記複数の微粒子は、前記第３直線と、前記第１直線および前記第２直線と、の交点上に設けられ、
前記第１直線と前記第２直線との間において前記第３直線上には他の微粒子が設けられておらず、
前記第１直線を介して前記第２直線と対向する側における前記第３直線上には、前記第１直線から、前記第１直線および前記第２直線の間隔の距離の範囲内に他の微粒子が設けられておらず、
前記第２直線を介して前記第１直線と対向する側における前記第３直線上には、前記第２直線から、前記第１直線および前記第２直線間隔の距離の範囲内に他の微粒子が設けられていない光増強素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光増強素子であって、
前記第１直線と前記第２直線とによって挟まれる領域には、前記第３直線から、前記第１直線および前記第２直線の間隔の距離の範囲内に他の微粒子が設けられていない光増強素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光増強素子であって、
前記第１面が、
前記第２直線を介して前記第１直線と対向し、前記第３直線と直交する第４直線と、
前記第４直線を介して前記第２直線と対向し、前記第３直線と直交する第５直線と、
前記第３直線に平行で、前記第１直線および前記第２直線に直交する第６直線と、
をさらに含む場合、
前記複数の微粒子は、前記第３直線と、前記第４直線および前記第５直線と、の交点上、および前記第６直線と、前記第１直線および前記第２直線と、の交点上にも設けられている光増強素子。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか一項に記載の光増強素子であって、
前記基板は、
金属層と、
前記金属層の上に設けられた誘電体層と、
を含み、
前記第１面は、前記誘電体層により形成されている光増強素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光増強素子であって、
前記誘電体層は、多層反射膜を形成している光増強素子。
【請求項１７】
基板の第１面の上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に、互いに離間して規則的に配列された複数の開口を形成する工程と、
各々が前記第１面に垂直な方向から見て前記開口よりも小さく、金属または金属酸化物からなる複数の微粒子を前記第１面の上に堆積する工程と、
前記微粒子を堆積した後、前記基板に物理的な洗浄を適用する工程と、
前記基板に前記物理的な洗浄を適用した後、前記レジスト膜を除去する工程と、
を含む光増強素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増強素子および光増強素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン分光を用いた物質の検出感度を向上させるため、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって散乱光の強度を向上させることがある。このようなＳＥＲＳを生じさせる光学素子として光増強素子が用いられる。
【０００３】
特許文献１には、基板と、金属膜と、誘電体膜と、複数の金属ナノ突起と、を含む光増強素子が記載されている。基板と、金属膜と、誘電体膜とはこの順に積層されている。各金属ナノ突起は、平面視で互いに離間して規則的に配列されつつ、誘電体膜の表面に吸着している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４８４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光増強素子では、基板の上に、特定の形状を有する金属ナノ構造体が設けられる場合がある。本発明者らは、新規な構造によってＳＥＲＳを効率的に発生させる光増強素子を検討した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光増強素子は、基板と、複数の微粒子と、を備えている。基板は、第１面を有している。複数の微粒子は、第１面に固定されている。また複数の微粒子は、金属または金属酸化物からなる。第１面は金属または無機誘電体により形成されている。同時に第１面は、平坦である。さらに、第１面に垂直な方向から見て、複数の微粒子は、互いに離間して規則的に配列されている。同時に、各微粒子のうち第１面に垂直な方向において第１面に対向する表面は、所定の第１表面を含んでいる。第１表面は、第１面に垂直な方向から見た場合の外側から内側に向かって第１面に対して傾斜している。
【０００７】
本発明に係る光増強素子の製造方法は、以下の工程を含んでいる。まず、基板の第１面の上にレジスト膜を形成する。次に、レジスト膜に複数の開口を形成する。複数の開口は、互いに離間して規則的に配列されている。次に、複数の微粒子を第１面の上に堆積する。複数の微粒子の各々は、第１面に垂直な方向から見て開口よりも小さい。また複数の微粒子は、金属または金属酸化物からなる。次に、基板に物理的な洗浄を適用する。次に、レジスト膜を除去する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、微粒子におけるＳＥＲＳを効率的に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態における光学系を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態に係る光増強素子における微粒子の単位配列の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る光増強素子を示す平面図である。
【図４】図３の変形例を示す図である。
【図５】図３の変形例を示す図である。
【図６】図２に示す光増強素子の製造方法を示す断面図である。
【図７】図２に示す光増強素子の製造方法を示す断面図である。
【図８】図２に示す光増強素子の製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）は、第２の実施形態に係る光増強素子を示す平面図であり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る光増強素子を示す断面図である。
【図１０】（ａ）は、第３の実施形態に係る光増強素子を示す平面図であり、（ｂ）は、第３の実施形態に係る光増強素子を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は、第４の実施形態に係る光増強素子を示す平面図であり、（ｂ）は、第４の実施形態に係る光増強素子を示す断面図である。
【図１２】電場強度のシミュレーションの結果を示す図である。
【図１３】図１２（ｃ）の構造の光増強素子の反射率、吸収率および透過率の波長依存性を示す図である。
【図１４】微粒子間の電場｜Ｅ｜２の強度スペクトルを示す図である。
【図１５】共振波長７１０ｎｍにおける電場｜Ｅ｜２の膜厚依存性を示す図である。
【図１６】波長６００ｎｍにおける電場｜Ｅ｜２の膜厚依存性を示す図である。
【図１７】微粒子間の電場｜Ｅ｜２の強度スペクトル（誘電体層（ＳｉＯ２）のない場合）を示す図である。
【図１８】微粒子間の電場｜Ｅ｜２の強度スペクトル（誘電体層（ＳｉＯ２）のある場合）を示す図である。
【図１９】微粒子の周りのポインティングベクトルのシミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における光学系を示す模式図である。図２（ａ）は、本実施形態における光増強素子１００における微粒子１０６の単位配列の一例を示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。図１に示すように、光増強素子１００は、基板１０２と、複数の微粒子１０６と、を備えている。基板１０２は第１面１０４を有している。複数の微粒子１０６は、第１面１０４に固定されている。また複数の微粒子１０６は、金属または金属酸化物からなる。図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、第１面１０４は無機誘電体（誘電体層１０２ａ）により形成されている。同時に、第１面１０４は平坦である。図２（ａ）に示すように、第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）の例では、ｚ軸方向）に見て、複数の微粒子１０６は、互いに離間して規則的に配列されている。さらに図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、各微粒子１０６のうち第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）において第１面１０４に対向する表面は、第１表面１０６ａを含んでいる。第１表面１０６ａは、第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）から見た場合の外側から内側に向かって第１面１０４に対して傾斜している。以下、詳細に説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の光学系は、光増強素子１００と、光源２００と、検出器３００と、分析部６００と、を含んでいる。図１の光学系は、ラマン分光を用いて、光増強素子１００の第１面１０４に面した領域４００に存在する物質（例えば、気体または液体）を検出するものである。領域４００に存在する物質の分子は、第１面１０４の上に設けられた微粒子１０６に吸着している。図１において、光増強素子１００は、第１面１０４において、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を生じさせる光学素子である。光源２００は、第１面１０４に光５００ａを照射する光学素子である。光５００ａは、可視光であり、光５００ａの波長は、例えば、５００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下である。検出器３００は、第１面１０４で散乱した光５００ｂを検出する光学素子である。光５００ａは、ラマン散乱により、第１面１０４において散乱する。この場合、光増強素子１００のＳＥＲＳによって散乱光（光５００ｂ）の強度が向上する。結果、検出器３００は、光５００ｂを効果的に検出することができる。さらに図１の例の光学系では、分析部６００が検出器３００と接続され、検出器３００で検出された光５００ｂは、分析部６００で分析される。分析部６００での分析によって、領域４００に存在する物質が分析されることになる。すなわち、光増強素子１００と、光源２００と、検出器３００と、分析部６００と、は試料分析装置を構成している。なお、図１の微粒子１０６は模式的に示したものであり、本実施形態の微粒子１０６の大きさおよび配置を示唆するものではない。同様に図１の基板１０２も模式的に示したものであり、本実施形態の基板１０２の層構造を示唆するものではない。
【００１３】
微粒子１０６に用いられる金属の例には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）が含まれる。例えば、微粒子１０６には、金ナノ粒子を用いてもよい。一方微粒子１０６に用いられる金属酸化物の例には、チタン酸化物、亜鉛酸化物、スズ酸化物、酸化インジウムスズが含まれる。さらに微粒子１０６の金属酸化物には、半導体が高濃度にドープされていてもよい。
【００１４】
次に、図２（ａ）を用いて、光増強素子１００における微粒子１０６の単位配列の詳細について説明する。図２（ａ）の例では、微粒子１０６は、第１面１０４の上において、配列１０８を形成している。図２（ａ）の例において配列１０８が含む微粒子１０６の数は５である。ただし、配列１０８が含む微粒子１０６の数は５に限られず、例えば、５以上１０以下としてもよい。
【００１５】
図２（ａ）の例では、微粒子１０６の平面形状は円である。この場合、微粒子１０６の平面形状の円の半径は、例えば、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。ただし、微粒子１０６の平面形状は円に限られず、楕円または矩形であってもよい。
【００１６】
図２（ａ）の例において、隣接する微粒子１０６同士は、ｘ軸方向（配列１０８の配列方向）に間隙ｇで離間されている。結果、配列１０８では、微粒子１０６がｘ軸方向に周期的に配列されていることになる。間隙ｇの値は、電場の干渉が粒子間で強く発生する２０ｎｍ以下のギャップが適当であるが、微粒子１０６の表面において表面プラズモンが誘起されるものであれば特に限定されない。
【００１７】
さらに図２（ａ）の例では、微粒子１０６は、複数の合同な矩形１１２の内側に設けられている。矩形１１２は、第１面１０４において仮想的に規定された矩形である。矩形１１２は、ｘ軸方向と平行な２辺を有するとともに、平面視で微粒子１０６を１個のみ収めることができる大きさを有している。すなわち、矩形１１２の大きさは、１つの微粒子１０６を収めることはできるが、２つ以上の微粒子１０６を収めることはできない大きさである。矩形１１２は互いに離間して規則的に配列されている。具体的には、図２（ａ）に示すように、矩形１１２は、ｘ軸方向に互いに離間して周期的に設けられている。
【００１８】
図２（ａ）の例では、微粒子１０６の中心と矩形１１２の中心とが一致するように、微粒子１０６は矩形１１２に設けられている。結果、図２（ａ）の例では、微粒子１０６は、等間隔で配置されている。ただし、微粒子１０６の配置は図２（ａ）に示すものに限られない。例えば、微粒子１０６が矩形１１２の内側に設けられていれば、微粒子１０６の中心と矩形１１２の中心とは互いにずれていてもよい。この場合、微粒子１０６は、略等しい間隔で配置されることになる。
【００１９】
次に、図２（ｂ）を用いて、光増強素子１００の断面レイアウトの詳細について説明する。基板１０２は、誘電体層１０２ａにより形成されている。誘電体層１０２ａの材料は無機誘電体であり、例えば、シリコン酸化膜、または、シリコン窒化膜などとすることができる。微粒子１０６は、誘電体層１０２ａの第１面１０４に固定されている。
【００２０】
図２（ｂ）に示すように、第１面１０４は平坦である。すなわち、第１面１０４には、微粒子１０６を埋め込むための溝が形成されていない。さらに微粒子１０６の表面のうち第１面１０４に垂直な方向（図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）において第１面１０４に対向する表面は、第１表面１０６ａと、第２表面１０６ｂと、を含んでいる。第１表面１０６ａは、第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）から見た場合の外側から内側に向かって第１面１０４に対して傾斜している。このため、第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）において、第１表面１０６ａは、第１面１０４と離間している。一方、第２表面１０６ｂは、第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）から見て第１表面１０６ａに囲まれている。同時に、第２表面１０６ｂは、第１面１０４に接している。なお、第１面１０４に垂直な方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、ｚ軸方向）において、第１表面１０６ａと第１面１０４との間には空隙が形成されていてもよいし、誘電体が埋め込まれていてもよい。また、埋めこまれた誘電体には微細孔があってもよく、また、物質を透過する材料でも良い。
【００２１】
図２（ｂ）の例では、微粒子１０６の表面には表面修飾剤（不図示）が吸着している。このため、第２表面１０６ｂは、当該表面修飾剤を介して第１面１０４と接することになる。微粒子１０６の表面に吸着している表面修飾剤は、特に限定されるものではないが、例えば、チオール基を有する化合物としてもよい。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、第１表面１０６ａを第１面１０４に正射影して得られる第１射影面積は、第２表面１０６ｂを第１面１０４に正射影して得られる第２射影面積よりも大きい。具体的には、第１射影面積および第２射影面積の合計に対する第１射影面積の比は、０．７５以上とすることができる。
【００２３】
なお、図２（ａ）および図２（ｂ）の例では、微粒子１０６は、球状である。ただし微粒子１０６の形状は球に限られずことはなく、例えば、楕円球であってもよい。
【００２４】
次に、図３を用いて、光増強素子１００の平面レイアウトの詳細について説明する。図３は、本実施形態に係る光増強素子を示す平面図である。図３に示すように、第１面１０４では、図２（ａ）および図２（ｂ）の配列１０８が、規則的に配置されている。具体的には、配列１０８は、格子状に配列されている。
【００２５】
図３では、第１面１０４において矩形状の複数のセル１１０が仮想的に規定されている。各セル１１０は合同な図形である。セル１１０は、ｘ軸方向に周期的に配列されているとともに、ｙ軸方向（配列１０８の配列方向と直交する方向）にも周期的に配列されている。さらに図３の例では、ｙ軸方向に隣接するセル１１０において、ｘ軸方向に対向する２辺が、同一直線上に設けられている。すなわち、図３の例では、ｙ軸方向で隣接するセル１１０において、配列の周期の位相が揃っている。結果、セル１１０は縦横格子状に配置されている。
【００２６】
図３の例では、各セル１１０において１の配列１０８が設けられている。具体的には、セル１１０の中心と配列１０８の中心とが一致するように、配列１０８はセル１１０に設けられている。すなわち、配列１０８は、セル１１０の配置にしたがって配列されている。結果、配列１０８は、セル１１０と同様に、縦横格子状に配置されることになる。
【００２７】
微粒子１０６の具体的な配置を説明するため、図３に示すように、第１面１０４が、直線５０１（第１直線）から直線５０８（第８直線）を含む例を検討する。直線５０１から直線５０８は、以下のようになる。
【００２８】
直線５０１は、第１方向（図３の例では、ｙ軸方向）に延在している。
【００２９】
直線５０２（第２直線）は、直線５０１に平行である。
【００３０】
直線５０３（第３直線）は、直線５０１と直線５０２との間に設けられ、第１方向（図３の例では、ｙ軸方向）に延在している。さらに、直線５０３は、第１方向に直交する第２方向（図３の例では、ｘ軸方向）に直線５０１および直線５０２とともに周期的に配列されている。図３の例では、複数の直線５０３が設けられているが、直線５０３の数は１であってもよい。
【００３１】
直線５０４（第４直線）は、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。
【００３２】
直線５０５（第５直線）は、直線５０２を介して直線５０１と対向している。さらに直線５０５は、直線５０４と直交している。
【００３３】
直線５０６（第６直線）は、直線５０５を介して直線５０２と対向している。さらに直線５０６は、直線５０４と直交している。
【００３４】
直線５０７（第７直線）は、直線５０５と直線５０６との間に設けられ、直線５０４と直交している。さらに直線５０７は、第２方向（図３の例では、ｘ軸方向）に直線５０５および直線５０６とともに周期的に配列されている。図３の例では、複数の直線５０７が設けられているが、直線５０７の数は１であってもよい。
【００３５】
直線５０８は、直線５０４に平行で、直線５０１、直線５０２および直線５０３に直交している。
【００３６】
この例において、複数の微粒子１０６は、直線５０４と、直線５０１、直線５０２および直線５０３と、の交点上に設けられている。さらに複数の微粒子１０６は、直線５０４と、直線５０５、直線５０６および直線５０７と、の交点上、および直線５０８と、直線５０１、直線５０２および直線５０３と、の交点上にも設けられている。
【００３７】
直線５０１を介して直線５０２と対向する側における直線５０４上には、直線５０１から、周期Ｃ（直線５０１、直線５０２および直線５０３の配列の周期）の距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。同様に、直線５０２を介して直線５０１と対向する側における直線５０４上には、直線５０２から、周期Ｃの距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。さらに、直線５０１と直線５０２とによって挟まれる領域には、直線５０４から、周期Ｃの距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。すなわち、第２方向（図３の例では、ｘ軸方向）において配列１０８の外側に他の微粒子１０６が設けられていたとしても、配列１０８を形成する微粒子１０６と、当該他の微粒子１０６とは、配置の規則性の観点から俯瞰的に区別することができる。
【００３８】
なお、配列１０８の配置は、図３に示すものに限定されない。配列１０８は、第１方向および第２方向とは異なる方向に延長した直線に沿って周期的に配列されていてもよい。
【００３９】
さらに図３の例では、各セル１１０の配列１０８が含む微粒子１０６の数は５であるが、この数は２であってもよい。この場合、第１面１０４は、直線５０３および直線５０７を含まないことになる。さらに直線５０１（第１直線）と直線５０２（第２直線）との間において直線５０４（第３直線）上には微粒子１０６が設けられないことになる。さらに直線５０１を介して直線５０２と対向する側における直線５０４上には、直線５０１から、間隔Ｃ（直線５０１および直線５０２の間隔）の距離の範囲内に微粒子１０６が設けられないことになる。さらに直線５０２を介して直線５０１と対向する側における直線５０４上には、直線５０２から、間隔Ｃの距離の範囲内に微粒子１０６が設けられないことになる。さらに直線５０１と直線５０２とによって挟まれる領域には、直線５０４から、間隔Ｃの距離の範囲内に微粒子１０６が設けられないことになる。さらに微粒子１０６は、直線５０４と、直線５０５（第４直線）および直線５０６（第５直線）と、の交点上、および直線５０８（第６直線）と、直線５０１および直線５０２と、の交点上にも設けられることになる。
【００４０】
さらに図３の例では、各セル１１０の配列１０８が含む微粒子１０６の数は５であり、互いに等しい。ただし、各セル１１０の配列１０８が含む微粒子１０６の数は等しくなくてもよく、互いに異なっていてもよい。
【００４１】
図４は、図３の変形例を示す図である。微粒子１０６は図４に示すように配列されていてもよい。図４の例では、セル１１０においてｘ軸方向に対向する２辺が、ｙ軸方向に隣接するセル１１０同士で互いにずれている。すなわち、図４の例では、ｙ軸方向で隣接するセル１１０において、配列の周期の位相がずれている。結果、セル１１０は斜め格子状に配置されている。これにともない、配列１０８も斜め格子状に配置されている。
【００４２】
図５は、図３の変形例を示す図である。微粒子１０６は図５に示すように配列されていてもよい。図５の例では、配列１０８は、３×５の２次元マトリクスとなっている。さらに、図５の例では、配列１０８は、格子状に配列されている。具体的には、配列１０８では、微粒子１０６がｘ軸方向に周期Ｃ１で周期的に配列されている。同時に、配列１０８では、微粒子１０６がｙ軸方向にも周期Ｃ２で周期的に配列されている。ただし配列１０８の２次元マトリクスの行および列における微粒子１０６の数は、図５に示すものに限定されず、当該数は任意の値とすることができる。さらに周期Ｃ１および周期Ｃ２は等しくてもよいし、異なっていてもよい。
【００４３】
微粒子１０６の具体的な配置を説明するため、図５に示すように、第１面１０４が、直線５０１（第１直線）から直線５１２（第１２直線）を含む例を検討する。直線５０１から直線５１２は、以下のようになる。
【００４４】
直線５０１は、第１方向（図５の例では、ｙ軸方向）に延在している。
【００４５】
直線５０２（第２直線）は、直線５０１に平行である。
【００４６】
直線５０３（第３直線）は、直線５０１と直線５０２との間に設けられ、第１方向（図５の例では、ｙ軸方向）に延在している。さらに、直線５０３は、第１方向に直交する第２方向（図５の例では、ｘ軸方向）に直線５０１および直線５０２とともに周期的に配列されている。図５の例では、複数の直線５０３が設けられているが、直線５０３の数は１であってもよい。
【００４７】
直線５０４（第４直線）は、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。
【００４８】
直線５０５（第５直線）は、直線５０４に平行で、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。
【００４９】
直線５０６（第６直線）は、直線５０４と直線５０５との間に設けられ、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。さらに直線５０６は、第１方向（図５の例では、ｙ軸方向）に直線５０４および直線５０５とともに周期的に配列されている。図５の例では、直線５０６の数は１であるが、複数の直線５０６が設けられていてもよい。
【００５０】
直線５０７（第７直線）は、直線５０２を介して直線５０１と対向し、直線５０４、直線５０５および直線５０６と直交している。
【００５１】
直線５０８（第８直線）は、直線５０７に平行で、直線５０７を介して直線５０２と対向している。さらに直線５０８は、直線５０４、直線５０５および直線５０６と直交している。
【００５２】
直線５０９（第９直線）は、直線５０７と直線５０８との間に設けられ、直線５０４、直線５０５および直線５０６と直交している。さらに直線５０９は、第２方向（図５の例では、ｘ軸方向）に直線５０７および直線５０８とともに周期的に配列されている。図５の例では、複数の直線５０９が設けられているが、直線５０９の数は１であってもよい。
【００５３】
直線５１０（第１０直線）は、直線５０４を介して直線５０５と対向している。さらに直線５１０は、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。
【００５４】
直線５１１（第１１直線）は、直線５１０に平行で、直線５１０を介して直線５０４と対向している。さらに直線５１１は、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。
【００５５】
直線５１２は、直線５１０と直線５１１との間に設けられ、直線５０１、直線５０２および直線５０３と直交している。さらに直線５１２は、第１方向（図５の例では、ｙ軸方向）に直線５１０および直線５１１とともに周期的に配列されている。図５の例では、直線５１２の数は１であるが、複数の直線５１２が設けられていてもよい。
【００５６】
この例において、複数の微粒子１０６は、直線５０１、直線５０２および直線５０３と、直線５０４、直線５０５および直線５０６と、の交点上に設けられている。さらに複数の微粒子１０６は、直線５０４、直線５０５および直線５０６と、直線５０７、直線５０８および直線５０９と、の交点上、および直線５０１、直線５０２および直線５０３と、直線５１０と、直線５１１と、直線５１２と、の交点上にも設けられている。
【００５７】
直線５０１を介して直線５０２と対向し、直線５０４と直線５０５とによって挟まれる領域には、直線５０１から、周期Ｃ１（直線５０１、直線５０２および直線５０３の配列の周期）の距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。同様に、直線５０２を介して直線５０１と対向し、直線５０４と直線５０５とによって挟まれる領域には、直線５０２から、周期Ｃ１の距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。すなわち、第２方向（図５の例では、ｘ軸方向）において配列１０８の外側に他の微粒子１０６が設けられていたとしても、配列１０８を形成する微粒子１０６と、当該他の微粒子１０６とは、配置の規則性の観点から俯瞰的に区別することができる。
【００５８】
さらに、直線５０４を介して直線５０５と対向し、直線５０１と直線５０２とによって挟まれる領域には、直線５０４から、周期Ｃ２（直線５０４、直線５０５および直線５０６の配列の周期）の距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。同様に、直線５０５を介して直線５０４と対向し、直線５０１と直線５０２とによって挟まれる領域には、直線５０５から、周期Ｃ２の距離の範囲内に微粒子１０６が設けられていない。すなわち、第１方向（図５の例では、ｙ軸方向）において配列１０８の外側に他の微粒子１０６が設けられていたとしても、配列１０８を形成する微粒子１０６と、当該他の微粒子１０６とは、配置の規則性の観点から俯瞰的に区別することができる。
【００５９】
なお、配列１０８の配置は、図５に示すものに限定されない。配列１０８は、第１方向および第２方向とは異なる方向に延長した直線に沿って周期的に配列されていてもよい。さらに、図５の配列１０８は、図４に示すように斜め格子状に配置されていてもよい。
【００６０】
次に、光増強素子１００の製造方法について、図６から図８を用いて説明する。図６から図８は、図２に示す光増強素子１００の製造方法を示す断面図である。なお、図６（ａ）、図７（ａ）および図８（ａ）は、図２（ａ）に対応し、図６（ｂ）、図７（ｂ）および図８（ｂ）は、図２（ｂ）に対応している。
【００６１】
まず、誘電体層１０２ａを準備する。次に、誘電体層１０２ａを所望の形状にダイシングする。このようにして基板１０２を準備する。
【００６２】
次に、基板１０２の第１面１０４の上にレジスト膜１２０を形成する。次に、レジスト膜１２０を電子ビーム描画により露光する。次に、レジスト膜１２０を現像する。これにより、図６に示すように開口１２２が形成される。開口１２２は、図６に示すように配列１２４を形成している。開口１２２の配列１２４は、微粒子１０６の配列１０８と同様の平面レイアウトを有している。すなわち、開口１２２の配列１２４の配置は、微粒子１０６の配列１０８の配置に対応することになる。一方、開口１２２の平面形状は、図２（ａ）の矩形１１２と同様の平面形状を有している。開口１２２の平面形状は、例えば、１００ｎｍ×１００ｎｍの正方形である。開口１２２同士の間隔は、例えば、１０ｎｍである。
【００６３】
次に、図７に示すように、第１面１０４の上に、複数の微粒子１０６を堆積する。各微粒子１０６は、第１面１０４に垂直な方向（図７に示す例では、ｚ軸方向）に見て開口１２２よりも小さい。この場合、微粒子１０６の一部が、図７に示すように、開口１２２に入り込むことになる。すなわち、微粒子１０６の配置は、開口１２２の配置によって規定することができる。開口１２２内の微粒子１０６は、第１面１０４と固定されることになる。結果、微粒子１０６は、図２（ａ）に示すように矩形１１２の内側に設けられることになる。
【００６４】
微粒子１０６の堆積方法は、特に限定されないが、例えば、ディップコーティングを用いることができる。ディップコーティングでは、微粒子１０６が分散した分散液に基板１０２を含浸し、基板１０２を分散液から所定の速度で引き上げる。この場合、分散液の分散媒には、水を用いることができる。なお、分散液において、微粒子１０６の表面には、表面修飾剤（例えば、チオール基を有する化合物）が吸着している。これにより、分散液における微粒子１０６の分散性が向上する。さらにこの微粒子１０６が第１面１０４の上に堆積された場合、微粒子１０６は当該表面修飾剤を介して第１面１０４に接することになる。さらに微粒子１０６の堆積方法は、ディップコーティングに限らない。例えば、分散液を第１面１０４に直接滴下して滴下した分散液を蒸発させてもよい。他の例としては、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法を用いてもよい。
【００６５】
次に、物理的な洗浄（例えば、超音波洗浄）を基板１０２に適用する。この場合、レジスト膜１２０と微粒子１０６との密着力は、第１面１０４と微粒子１０６との密着力に比べて弱い上、物理的な洗浄（例えば、超音波洗浄）によってレジスト膜１２０から微粒子１０６が剥離してしまう程度のものである。一方、第１面１０４と微粒子１０６との密着力は、物理的な洗浄（例えば、超音波洗浄）によって第１面１０４から微粒子１０６が剥離することがない程度のものである。結果、図８に示すように、開口１２２に入り込んだ微粒子１０６は物理的な洗浄（例えば、超音波洗浄）によっても除去されずに開口１２２に残る一方で、レジスト膜１２０の上に堆積した微粒子１０６は物理的な洗浄（例えば、超音波洗浄）によって除去される。
【００６６】
次に、レジスト膜１２０を、例えば、Ｏ２アッシングによって除去する。このようにして光増強素子１００が製造される。
【００６７】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態では、第１表面１０６ａが第１面１０４に対して傾斜している。これにより、第１面１０４に垂直な方向において第１表面１０６ａは、第１面１０４と離間している。この場合、第１面１０４に光５００ａが照射されると、第１表面１０６ａにおいても、ＳＥＲＳが生じることになる。本実施形態の作用および効果を説明するため、本実施形態を、本実施形態の微粒子１０６と同一の平面形状を有する一方で底面全体が第１面１０４に密着している微粒子の例と比較する。当該例と比較すると、本実施形態では、第１表面１０６ａの存在により、ＳＥＲＳに寄与する表面積を大きくすることができる。結果、本実施形態では、微粒子１０６におけるＳＥＲＳを効率的に発生させることができる。
【００６８】
特に本実施形態では、第１射影面積および第２射影面積の合計に対する第１射影面積の比を０．７５以上としてもよい。この場合、第１表面１０６ａの表面積が大きくなり、ＳＥＲＳに寄与する表面積を大きくすることができる。このようにして微粒子１０６におけるＳＥＲＳをさらに効率的に発生させることができる。
【００６９】
さらに図３の例では、互いに隣接する配列１０８同士が離間して配置されている。この場合、一の配列１０８が隣接する他の配列１０８における光の散乱の影響を受けることを防止することができる。このようにして、各配列１０８におけるＳＥＲＳを効果的に局在化させることができる。結果、微粒子１０６におけるＳＥＲＳをさらに効率的に発生させることができる。
【００７０】
（第２の実施形態）
図９（ａ）は、第２の実施形態における光増強素子１００を示す平面図である。図９（ｂ）は、本実施形態における光増強素子１００を示す断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ、第１の実施形態の図２（ａ）および図２（ｂ）に対応する。本実施形態は、基板１０２の層構造を除いて、第１の実施形態と同様である。すなわち、図９（ｂ）の例では、第１面１０４は、金属（金属層１０２ｂ）により形成されている。結果、微粒子１０６は金属層１０２ｂに固定されることになる。金属層１０２ｂの膜厚は、例えば、５０ｎｍである。図９（ｂ）の例において、金属層１０２ｂの材料は、金（Ａｕ）である。ただし金属層１０２ｂの材料は金（Ａｕ）に限られず、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）としてもよい。
【００７１】
本実施形態では、第１面１０４が金属層１０２ｂにより形成されている。金属層１０２ｂは、図１の光５００ａの反射層として機能する。このため、第２表面１０６ｂの直下の第１面１０４において反射された光５００ｂが第２表面１０６ｂに効率的に到達することになる。このようにして第２表面１０６ｂにおけるＳＥＲＳをさらに高いものにすることができる。結果、本実施形態では、第１の実施形態と比較して、微粒子１０６におけるＳＥＲＳをさらに効率的に発生させることができる。
【００７２】
（第３の実施形態）
図１０（ａ）は、第３の実施形態における光増強素子１００を示す平面図である。図１０（ｂ）は、本実施形態における光増強素子１００を示す断面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ、第２の実施形態の図９（ａ）および図９（ｂ）に対応する。本実施形態は、基板１０２の層構造を除いて、第２の実施形態と同様である。すなわち、図１０（ｂ）では、基板１０２は、誘電体層１０２ａと、金属層１０２ｂと、誘電体層１０２ｃと、を含んでいる。金属層１０２ｂは、誘電体層１０２ａの上に設けられている。誘電体層１０２ｃは、金属層１０２ｂの上に設けられている。図１０（ｂ）では、第１面１０４は、誘電体層１０２ｃにより形成されている。結果、微粒子１０６は誘電体層１０２ｃに固定されることになる。金属層１０２ｂの膜厚は、例えば、５０ｎｍである。一方誘電体層１０２ｃの膜厚は、１０ｎｍ以上（例えば、５０ｎｍ）である。図１０（ｂ）の例において、金属層１０２ｂの材料は、金（Ａｕ）である。ただし金属層１０２ｂの材料は金（Ａｕ）に限られず、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）としてもよい。図１０（ｂ）の例において、誘電体層１０２ｃの材料は、シリコン酸化膜である。ただし誘電体層１０２ｃの材料はシリコン酸化膜に限られず、シリコン窒化膜としてもよい。
【００７３】
本実施形態では、金属層１０２ｂが反射層として機能するとともに、誘電体層１０２ｃも反射層として機能する。このため、第２の実施形態と比較して、第１面１０４における光５００ａの光の反射がさらに効率的になる。結果、本実施形態では、第２の実施形態と比較して、微粒子１０６におけるＳＥＲＳをさらに効率的に発生させることができる。
【００７４】
（第４の実施形態）
図１１（ａ）は、第４の実施形態における光増強素子１００を示す平面図である。図１１（ｂ）は、本実施形態における光増強素子１００を示す断面図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ、第３の実施形態の図１０（ａ）および図１０（ｂ）に対応する。本実施形態は、誘電体層１０２ｃが多層膜によって形成されている点を除いて、第２の実施形態と同様である。すなわち、図１１（ｂ）の例では、誘電体層１０２ｃが多層反射膜を形成している。具体的には、誘電体層１０２ｃは、高屈折率誘電体層（Ｈ）と低屈折率誘電体層（Ｌ）とが交互に積層されてなる。なお、図１１（ｂ）では、誘電体層１０２ｃの最下層に高屈折率誘電体層（Ｈ）が設けられ、誘電体層１０２ｃの最上層に低屈折率誘電体層（Ｌ）が設けられている。また誘電体層１０２ｃを構成する層の数は図９（ｂ）の例では４つであるが、これに限られることはなく、２以上（４以外）としてもよい。
【００７５】
本実施形態では、誘電体層１０２ｃが多層反射膜として機能するため、誘電体層１０２ｃでの反射が第３の実施形態に比べてより強くなる。このため、第３の実施形態と比較して、第１面１０４における光５００ａの光の反射がさらに効率的になる。結果、本実施形態では、第３の実施形態と比較して、微粒子１０６におけるＳＥＲＳをさらに効率的に発生させることができる。
（実施例）
【００７６】
図３の例の平面レイアウトを有する光増強素子１００における電場増強をシミュレートした。シミュレーションにおいては、配列１０８の中心と、セル１１０の中心とは一致している。またセル１１０において微粒子１０６は等間隔で配列されている。さらにシミュレーションにおいては、光増強素子１００の各種材料および数値は、以下のように設定された。
配列１０８が含む微粒子１０６の数：５
微粒子１０６の金属：Ａｕ
セル１１０の長辺（図３のｘ軸方向）ｐ＝７６０ｎｍ
セル１１０の短辺（図３のｙ軸方向）ｗ＝６００ｎｍ
微粒子１０６の半径ｒ＝５０ｎｍ
微粒子１０６同士の間の間隙ｇ＝１０ｎｍ
【００７７】
シミュレーションは、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）を用いて行った。
【００７８】
まず、図３の平面レイアウトにおけるｚｘ平面から見た場合の電場強度をシミュレートした。シミュレーションの結果は、図１２に示すようになる。図１２は、光増強素子１００の断面における電場の強度分布を示す図である。図１２（ａ）は、第１の実施形態と同様、第１面１０４が誘電体層１０２ａによって形成された場合のシミュレーションの結果である。図１２（ｂ）は、第２の実施形態と同様、金属層１０２ｂが誘電体層１０２ａの上に設けられ、第１面１０４が金属層１０２ｂによって形成された場合のシミュレーション結果である。図１２（ｃ）は、第３の実施形態と同様、誘電体層１０２ａ、金属層１０２ｂおよび誘電体層１０２ｃがこの順で積層され、第１面１０４が誘電体層１０２ｃによって形成された場合のシミュレーション結果である。図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）の左側の図は、｜Ｅｘ｜２の強度分布を示す。一方、図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）の右側の図は、｜Ｅｚ｜２の強度分布を示す。基板１０２の条件は以下のようにした。
図１２（ａ）における基板１０２の条件
誘電体層１０２ａの材料：  ＳｉＯ２
図１２（ｂ）における基板１０２の条件
誘電体層１０２ａの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの材料：    Ａｕ
金属層１０２ｂの膜厚：    ５０ｎｍ
図１２（ｃ）における基板１０２の条件
誘電体層１０２ａの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの材料：    Ａｕ
誘電体層１０２ｃの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの膜厚：    ５０ｎｍ
誘電体層１０２ｃの膜厚：  ５０ｎｍ
【００７９】
さらに図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）における共振波長λｒｅｓおよび電場強度｜Ｅ｜２の局所的最大値は、以下のようになった。
共振波長λｒｅｓ
図１２（ａ）：７５０ｎｍ
図１２（ｂ）：７００ｎｍ
図１２（ｃ）：７１０ｎｍ
｜Ｅ｜２の最大値
図１２（ａ）：９００
図１２（ｂ）：４８７５
図１２（ｃ）：５０２５
【００８０】
図１２（ａ）から図１２（ｃ）のいずれにおいても、第１表面１０６ａの電場強度は、第２表面１０６ｂの電場強度よりも高いといえる。このため、第１表面１０６ａの表面積を大きくすることで、ＳＥＲＳを効率的に発生させることができるといえる。さらに、｜Ｅ｜２の最大値は、図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）の順序で大きくなっている。このことから、図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）の順に進むにしたがって、ＳＥＲＳをより効率的に発生させることができるといえる。
【００８１】
なお、図１２（ｃ）の構造の光増強素子の反射率、吸収率および透過率の波長依存性についても調べた。その結果は、図１３に示すようになる。反射率の局所的なピーク値における波長７１０ｎｍは、共振波長λｒｅｓと一致している。
【００８２】
次に、微粒子１０６の半径ｒを変化させた場合における微粒子１０６間の電場｜Ｅ｜２の強度スペクトルの変化ついて、シミュレーションにより調べた。このシミュレーションでは、第２の実施形態と同様の構造を有する基板１０２（金属層１０２ｂの材料：Ａｕ）を用いた。さらにこのシミュレーションでは、半径の大きい微粒子１０６をセル１１０の内部に収めるために、セル１１０の長辺ｐは１μｍとした。なお、半径ｒ＝５０ｎｍの微粒子１０６において、ｐ＝７６０ｎｍの場合とｐ＝１μｍの場合とで電場の挙動を比較したところ、両者はほぼ同じ挙動であることを確認した。またいずれの半径ｒにおいても、微粒子１０６同士の間の間隙ｇは１０ｎｍとした。
【００８３】
シミュレーションの結果は、図１４に示すようになる。このシミュレーションでは、半径ｒ＝２５ｎｍ、３５ｎｍ、５０ｎｍ、７５ｎｍおよび９０ｎｍについて調べた。半径ｒの増加にしたがって、共振波長が６００ｎｍから１０５０ｎｍに増加するとともに、強度が３００から６０００にかけて変化している。
【００８４】
次に、第３の実施形態と同様の構造を有する基板１０２の誘電体層１０２ｃの膜厚が電場｜Ｅ｜２に与える影響について、セル１１０内の微粒子１０６の数を５とし、ｐ＝７６０ｎｍ、ｒ＝５０ｎｍおよびｇ＝１０ｎｍとしてシミュレーションを用いて調べた。
【００８５】
シミュレーションの結果は、図１５および図１６に示すようになる。図１５および図１６ともに、微粒子１０６間の電場｜Ｅ｜２を示している。図１５は、共振波長７１０ｎｍにおける電場｜Ｅ｜２の膜厚依存性を示している。これに対して図１６は、波長６００ｎｍにおける電場｜Ｅ｜２の膜厚依存性を示している。
【００８６】
図１５に示すように、誘電体層１０２ｃの膜厚が薄い領域（１０ｎｍ〜３０ｎｍ）では、誘電体層１０２ｃを含む構造の電場強度が、誘電体層１０２ｃを含まない構造の電場強度よりも弱い。誘電体層１０２ｃの膜厚３０ｎｍ〜５０ｎｍの領域では、誘電体層１０２ｃを含む構造の電場強度が、誘電体層１０２ｃを含まない構造の電場強度よりも強い。誘電体層１０２ｃの膜厚がさらに増加すると、電場強度は減少し、誘電体層１０２ｃの膜厚１７０ｎｍではほぼ０となる。誘電体層１０２ｃの膜厚がさらに増加すると、電場強度は増加し、２回目のピークに達する。しかし、２回目のピーク値は、１回目のピーク値には及ばない。
【００８７】
これに対して図１６では、誘電体層１０２ｃの膜厚が薄い領域（１０ｎｍ）においても、誘電体層１０２ｃを含む構造の電場強度が、誘電体層１０２ｃを含まない構造の電場強度よりも強い。誘電体層１０２ｃの膜厚が増加すると、電場強度は１回目のピーク（２０ｎｍ付近）に到達し、その後減少し、１２０ｎｍ付近でほぼ０となる。誘電体層１０２ｃの膜厚がさらに増加すると、電場強度も増加して２回目のピーク（２００ｎｍ〜２２０ｎｍ付近）に達する。図１５とは対照的に、図１６では、２回目のピーク値の方が１回目のピーク値よりも大きい。
【００８８】
次に、配列１０８を形成する微粒子１０６の数が有限であるかまたは無限であるかが、微粒子１０６間の電場｜Ｅ｜２に与える影響について、シミュレーションにより調べた。
【００８９】
シミュレーションの結果は、図１７および図１８に示すようになる。図１７および図１８ともに、微粒子１０６間の電場｜Ｅ｜２を示している。図１７では、第２の実施形態と同様の構造を有する基板１０２（金属層１０２ｂの材料：Ａｕ）を用いた。これに対して図１８では、第３の実施形態と同様の構造を有する基板１０２（金属層１０２ｂの材料：Ａｕ、誘電体層１０２ｃの材料：ＳｉＯ２、誘電体層１０２ｃの膜厚：５０ｎｍ）を用いた。
【００９０】
図１７では、配列１０８を形成する微粒子１０６の数が有限（５個）になると、電場強度の最大値｜Ｅｍａｘ｜２が２５％増加するとともに、共振波長が４０ｎｍブルーシフトする。図１８においても、配列１０８を形成する微粒子１０６の数が有限（５個）になると、電場強度の最大値が増加するとともに、共振波長がブルーシフトしている。
【００９１】
図１７および図１８を比較して、誘電体層１０２ｃが電場強度に与える影響について考察する。図１７における５つの微粒子１０６に関する曲線と、図１８における５つの微粒子１０６に関する曲線と、を比較しても、ピーク値およびピーク値における波長の変化はほぼない。一方、図１８では、ピーク値の９０％以上の値をとる領域が、図１７のそれよりも広い。すなわち、図１８では、図１７と比較して、電場強度が、広範囲で大きい値をとっている。誘電体層１０２ｃの存在は、このような電場強度の挙動に寄与していることが考えられる。
【００９２】
次に、微粒子１０６の周りのポインティングベクトル（波長λ＝７１０ｎｍ）について、シミュレーションにより調べた。シミュレーションの結果は、図１９に示すようになる。図１９（ａ）、図１９（ｂ）および図１９（ｃ）は、図３におけるｚｘ平面のポインティングベクトルを示している。図１９（ｄ）、図１９（ｅ）および図１９（ｆ）は、図３におけるｘｙ平面のポインティングベクトルを示している。図１９（ａ）および図１９（ｄ）では、第２の実施形態と同様の構造を有する基板１０２を用いた。図１９（ｂ）および図１９（ｅ）ならびに図１９（ｃ）および図１９（ｆ）では、第３の実施形態と同様の構造を有する基板１０２を用いた。基板１０２の条件は、具体的には以下のようにした。
図１９（ａ）および図１９（ｄ）における基板１０２の条件
誘電体層１０２ａの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの材料：    Ａｕ
金属層１０２ｂの膜厚：    ５０ｎｍ
図１９（ｂ）および図１９（ｅ）における基板１０２の条件
誘電体層１０２ａの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの材料：    Ａｕ
誘電体層１０２ｃの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの膜厚：    ５０ｎｍ
誘電体層１０２ｃの膜厚：  ５０ｎｍ
図１９（ｃ）および図１９（ｆ）における基板１０２の条件
誘電体層１０２ａの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの材料：    Ａｕ
誘電体層１０２ｃの材料：  ＳｉＯ２
金属層１０２ｂの膜厚：    ５０ｎｍ
誘電体層１０２ｃの膜厚：  １７０ｎｍ
【００９３】
微粒子１０６が金属層１０２ｂに接している例では、図１９（ａ）に示すように、パワーが微粒子１０６と金属層１０２ｂの接触面に入り込んでいる。同時に、図１９（ｄ）に示すように配列１０８にパワーが流れ込んでいる。
【００９４】
誘電体層１０２ｃが薄い（５０ｎｍ）例では、図１９（ｄ）と同様、図１９（ｅ）に示すように、配列１０８にパワーが流れ込んでいる。さらにこの例では、図１９（ｂ）に示すように、左から２番目と４番目の微粒子１０６において、パワーの流れが渦を巻いている。
【００９５】
誘電体層１０２ｃが厚い（１７０ｎｍ）例では、図１９（ｃ）に示すように、誘電体層１０２ｃにおいてパワーの流れが２つの渦を巻き、パワーが配列１０８に流れ込んでいない。さらに図１９（ｆ）に示すように、ｘｙ平面でもパワーは配列１０８の外側に向かって流れている。このようなパワーの流れが、図１５において誘電体層１０２ｃの膜厚１７０ｎｍで、電場強度がほぼ０になった原因と考えられる。
【００９６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００９７】
１００      光増強素子
１０２      基板
１０２ａ    誘電体層
１０２ｂ    金属層
１０２ｃ    誘電体層
１０４      第１面
１０６      微粒子
１０６ａ    第１表面
１０６ｂ    第２表面
１０８      配列
１１０      セル
１１２      矩形
１２０      レジスト膜
１２２      開口
１２４      配列
２００      光源
３００      検出器
４００      領域
５００ａ    光
５００ｂ    光
５０１〜５１２    直線
６００      分析部
【図１】
2015087299.tif 000003
【図２】
2015087299.tif 000004
【図３】
2015087299.tif 000005
【図４】
2015087299.tif 000006
【図５】
2015087299.tif 000007
【図６】
2015087299.tif 000008
【図７】
2015087299.tif 000009
【図８】
2015087299.tif 000010
【図９】
2015087299.tif 000011
【図１０】
2015087299.tif 000012
【図１１】
2015087299.tif 000013
【図１３】
2015087299.tif 000014
【図１４】
2015087299.tif 000015
【図１５】
2015087299.tif 000016
【図１６】
2015087299.tif 000017
【図１７】
2015087299.tif 000018
【図１８】
2015087299.tif 000019
【図１２】
2015087299.tif 000020
【図１９】
2015087299.tif 000021