(57)【要約】  ダイヤモンドは、少なくとも１つの表面と、ダイヤモンドの少なくとも１つの表面上に形成された複数のナノ構造とを含み、複数のナノ構造は、１又は２以上の構造色をダイヤモンドの表面上に発生させる。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドであって、
少なくとも１つの表面と、
前記ダイヤモンドの前記少なくとも１つの表面上に形成された複数のナノ構造と、を備え、
前記複数のナノ構造は、１又は２以上の構造色を前記ダイヤモンドの前記表面上に発生させる、ダイヤモンド。
【請求項２】
イメージの知覚、深さの知覚、及びサイズの知覚から成る知覚群から選択される視覚をさらに引き起こす、請求項１に記載のダイヤモンド。
【請求項３】
前記複数のナノ構造内のナノ構造は、形状が同一である、請求項１又は２に記載のダイヤモンド。
【請求項４】
前記複数のナノ構造内のナノ構造は、少なくとも２つの異なる形状に分類される、請求項１から３の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項５】
前記ナノ構造の形状は、前記表面に垂直な方向から見た場合の断面領域によって定義され、三角形、矩形、六角形、八角形、多角形、円形、楕円形から成る群から選択することができる、請求項１から４の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項６】
前記複数のナノ構造内のナノ構造は、少なくとも２つの異なる高さに従って分類される、請求項１から５の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項７】
前記複数のナノ構造内のナノ構造は、周期的な構成で配置される、請求項１から６の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項８】
少なくとも２つの隣接したナノ構造は、４０ｎｍ（ナノメートル）〜２００ｎｍの範囲の距離によって分離される、請求項１から７の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項９】
前記周期的な構成は、人間の目による目視で識別可能である前記構造色を発生させるだけ十分に大きい、請求項１から８の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１０】
各ナノ構造は、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の断面長さを有し、５００ｎｍ未満の距離によって前記ダイヤモンドの前記少なくとも１つの表面から延びる、請求項１から９の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１１】
各ナノ構造は、頂面、底面、及び側面を含み、前記頂面は、１０ｎｍ未満の表面平滑性を有し、前記側面は、２０ｎｍ未満の表面平滑性を有し、前記底面は、１０ｎｍ未満の平滑性を有する、請求項１から１０の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１２】
前記複数のナノ構造内のナノ構造の群は、前記複数のナノ構造内のナノ構造の別の群とは異なる１又は２以上の特性を有する、請求項１から１１の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１３】
前記ダイヤモンドの前記表面上に形成された別の複数のナノ構造をさらに備え、前記別の複数のナノ構造は、他の構造色を前記ダイヤモンドの前記表面上に発生させ、前記構造色は、他の構造色とは異なる、請求項１から１２の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１４】
前記ダイヤモンドの前記表面とは異なる平面上にある前記ダイヤモンド上の別の表面をさらに備え、前記別の表面は、複数のナノ構造を含む、請求項１から１３の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１５】
前記ダイヤモンドは、採掘ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、又はＨＰＨＴダイヤモンドである、請求項１から１４の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１６】
前記ダイヤモンドは、本質的に着色ダイヤモンドである、請求項１から１５の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１７】
少なくとも１つの表面は、水素終端及び酸素終端から成る気体終端の群から選択される気体終端によって官能化される、請求項１から１６の何れか１項に記載のダイヤモンド。
【請求項１８】
ダイヤモンドであって、
少なくとも１つの表面と、
前記ダイヤモンドの前記少なくとも１つの表面上に形成された複数のナノ構造と、を備え、
前記複数のナノ構造は、前記ダイヤモンドの前記少なくとも１つの表面上に視覚を発生させる、ダイヤモンド。
【請求項１９】
前記視覚は、色の知覚、深さの知覚、及びサイズの知覚から成る知覚群から選択される、請求項１８に記載のダイヤモンド。
【請求項２０】
構造色を示すダイヤモンドを形成する方法であって、
前記ダイヤモンドの表面を準備するステップと、
複数のナノ構造を前記ダイヤモンドの前記表面上に形成するステップと、を備え、
前記複数のナノ構造は、可視光が当てられたとき構造色を発生させる、方法。
【請求項２１】
前記複数のナノ構造を形成するステップは、前記ナノ構造を形成するために前記ダイヤモンドの前記表面をエッチングするステップをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記エッチングは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ／ＲＩＥ）を使用する、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＩＣＰ／ＲＩＥを実行する際の気体組成は、不活性ガス及び塩素の群から選択される気体で構成され、前記不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、又はこれらの２以上の混合物である、請求項２０から２２の何れか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数のナノ構造を形成するステップは、レジスト層を前記ダイヤモンドの前記表面上に被覆するステップと、リソグラフィ手法（ＩＰ）を用いて、前記ダイヤモンドの前記表面上の選択領域を露出させるステップと、ナノパターンを前記ダイヤモンドの前記表面上に現像するステップとをさらに備える、請求項２０から２３の何れか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記リソグラフィ手法は、電子ビーム描画、陽子ビーム描画、集束イオンビーム、レーザー干渉リソグラフィ、自己組織化リソグラフィ、ブロック共重合体リソグラフィ（ＢＣＰ）、及び陽極アルミナ（ＡＡＯ）リソグラフィから成る群から選択される、請求項２０から２４の何れか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記表面を水素終端及び酸素終端で構成される気体終端の群から選択される気体終端で官能化するステップをさらに含む、請求項２０から２５の何れか１項に記載の方法。
【請求項２７】
別の複数のナノ構造を前記ダイヤモンドの前記表面上に形成するステップをさらに含み、前記複数のナノ構造は、前記可視光が当てられると別の構造色を発生させる、請求項２０から２６の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの表面上に構造色を発生させるナノ構造を有するダイヤモンド及びその製造方法に関する。本発明は、例えば、宝石、宝飾品類、フォトニクス、光学品、及び他の産業領域において適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
構造色は、複数の自由電子の共鳴振動での光の波長を選択的に反射又は透過するために、光が金属ナノ構造体と相互作用した際にもたらすことができ、結果的にプラズモン現象となる。この現象を十分に利用することによって、光の光回折限界を越える高解像度画像、例えば１０万ドット／インチ（ｄｐｉ）が達成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ブラズモン共鳴現象は、誘電ナノ構造上に蒸着されている導電膜（例えば、Ａｕ又はＡｇ金属膜）上にのみ発生することができる。金属膜の蒸着には、多くの場合で費用がかかる複雑な作製ステップが必要である。さらに、蒸着された金属膜は、長続きすることはできず、その適用は短時間となる。それにもかかわらず、導電膜上のプラズモン共鳴現象によって生成された色は、限られた色（すなわち、ＣＩＥ色域内の小サブセット）及び最適ではない彩度となる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの実施形態において、ダイヤモンドは、少なくとも１つの表面及び複数のナノ構造を含む。複数のナノ構造は、ダイヤモンドの表面上に形成される。複数のナノ構造は、１又は２以上の構造色をダイヤモンドの表面上に発生させる。
【０００５】
別の実施形態において、構造色を示すダイヤモンドを形成する方法が提供される。この方法は、ダイヤモンドの表面を準備するステップを含む。この方法は、複数のナノ構造をダイヤモンドの表面上に形成するテップをさらに含む。複数のナノ構造は、可視光が当てられた際に構造色を発生させる。
【０００６】
開示された技術のさらなる特徴、性質、及び様々な利点は、同様の参照文字が全体を通して同様の部品を指す添付図面を参照して以下の詳細な説明を検討すると明らかとなるはずである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】１つの実施形態による、構造色をダイヤモンドの表面上に発生させる、ダイヤモンドの表面上に形成された複数のナノ構造を有する例示的なダイヤモンドの断面図を示す。
【図１Ｂ】１つの実施形態による、構造色をダイヤモンドの表面上に発生させる、ダイヤモンドの表面上に形成された複数のナノ構造を有する例示的なダイヤモンドの斜視図を示す。
【図２Ａ】１つの実施形態による、直径（Ｄ）及び間隙（ｇ）を変更した場合に反射モードから生成された例示的な色彩効果を示す。
【図２Ｂ】１つの実施形態による、直径（Ｄ）及び間隙（ｇ）を変更した場合に透過モードから生成された例示的な色彩効果を示す。
【図３】１つの実施形態による、図２Ａの２つの赤色識別ボックスの分光分析結果を示す。
【図４】１つの実施形態による例示的な宝石製品を示す。
【図５】１つの実施形態による、構造色を発生するダイヤモンドを形成する例示的な方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１Ａ及び図１Ｂは、１つの実施形態による、表面上に形成された複数のナノ構造を有する例示的なダイヤモンドの断面図及び斜視図をそれぞれ示し、これらの複数のナノ構造は、ダイヤモンドの表面に構造色を発生させる。図１Ａに示すように、ダイヤモンド１００は、表面１２２及び複数のナノ構造１２１を含み、複数のナノ構造１２１は、バルク１１０から垂直に延びている。
【０００９】
１つの実施形態において、ダイヤモンド１００は、何らかのダイヤモン種（例えば、ＩＩａ型、Ｉａ型など）、何らかの原石（例えば、原鉱、高圧高温（ＨＰＨＴ）、及び化学蒸着（ＣＶＤ））とすることができ、さらに、電子的用途、光学的用途、機械的用途などの何らかの用途に適している。
【００１０】
加えて、ダイヤモンド１００は、不純物及び／又は欠陥を有する場合もある。これらの不純物及び／又は欠陥を有するダイヤモンドは、固有色を示す場合がある。１つの例示的な実施形態において、窒素不純物を有する人工ダイヤモンドは、茶色の固有色を有する場合がある。具体的には、５０億分の１（ｐｐｂ）〜数千万分の１（ｐｐｍ）の窒素濃度を有するダイヤモンドは、淡茶色から濃茶色に及ぶ茶色がかった固有色を示す場合がある。
【００１１】
図１Ａのダイヤモンド１００は、ダイヤモンド片全体又は単に大きなダイヤモンドの一部（例えば、ダイヤモンドの表面）とし得ることを認識されたい。ダイヤモンド１００は、ダイヤモンド全体である場合、ダイヤモンドプレートと呼ばれる場合もある。代替的に、ダイヤモンド１００が単に大きなダイヤモンドの一部である場合、大きなダイヤモンドは、大型ダイヤモンドプレート又は大型宝石とすることができる。
【００１２】
図１Ａに示すように、表面１２２は、バルク１１０の頂面である。表面の１２２の状態及び／又は特性は、構造色を発生させる際に重要である。１つの例示的な実施形態において、表面１２２は、特定の結晶方位（例えば、結晶方位[１００]、[１１０]、又は[１１１]）を有することができる。異なる結晶方位は、結局はナノ構造１２１によって生成されることになる最終的な構造色に影響を与える可能性があることを認識されたい。
【００１３】
別の例示的な実施形態において、ナノ構造１２１が形成される表面１２２は、水素終端（Ｈ終端）面である。Ｈ終端表面は、水素終端（Ｈ終端）薄層を含み、この薄層は、金属層の蒸着がないにもかかわらず、金属層と同様に挙動する。１つの実施形態において、Ｈ終端表面は、複数のナノ構造１２１と共にプラズモン効果を発生させることができ、これは、結果的に構造色を発生させることになる。
【００１４】
Ｈ終端ダイヤモンド表面は、高い電気双極子モーメントに起因して金属層と同様の挙動を示し、金属層は、表面吸着質（水分子）などの負極イオンを引き付け、これによって、正孔蓄積層が表面に生成されることを認識されたい。さらに、Ｈ終端ダイヤモンド面は、負電子親和力（ＥＡ−）に起因する強い表面の導電性、及び、７１°〜７９°の水接触角で強い疎水性（従って、強い親油性）をもつ。
【００１５】
代替的に、表面１２２は、酸素終端（Ｏ終端）表面とすることができる。Ｏ終端表面は、酸素終端（Ｏ終端）の薄層を含む。Ｈ終端ダイヤモンド面とは対照的に、Ｏ終端ダイヤモンド面は、強い親水性を示す正電子親和力をもつ。ダイヤモンドのＯ終端表面は、炭素よりも高い電気陰性度を有することができ、これは正電子親和力（ＥＡ＋）に起因する。
【００１６】
別の代替実施形態において、ダイヤモンドの表面は、Ｈ終端及びＯ終端の両方を有することができる（図示せず）。例えば、表面は、Ｈ終端専用である領域を有することができ、一方、別の領域は、Ｏ終端専用である。Ｈ終端及びＯ終端を含む実施形態は、全く同じナノ構造を有するにもかかわらず、構造色生成のオン／オフ切り替えを可能にすることができる。表面上のＨ終端及びＯ終端の組み合わせは、光干渉（すなわち、強め合う干渉又は弱め合う干渉）を制御するのを助けることもできる。
【００１７】
別の代替実施形態において、ダイヤモンドの表面は、非平面の表面（図示せず）とすることができる。非平面の表面は、３次元（３Ｄ）表面と呼ぶこともできる。
【００１８】
図１Ａをさらに参照すると、ナノ構造１２１は、表面１２２から垂直に延びている。１つの実施形態において、ナノ構造１２１は、バルク１１０と同じ材料で作製されている。別の実施形態において、ナノ構造１２１は、表面１２２に対して正又は負のナノ構造を形成するたに自己組織化プロセスを使用して形成することができる。
【００１９】
ナノ構造１２１は、「ナノポスト」と呼ぶこともできることを認識されたい。「ナノポスト」という用語は、基本的に、表面１２２から上方に延びるナノ構造１２１を指す。１つの実施形態において、ナノ構造１２１は、特定の断面形状を有することができる。例えば、断面形状は、ナノディスクとすること、又は、より具体的には、正方形、円、三角形、楕円、六角形、八角形、多角形、及び他の三角法の断面形状とすることができる。別の実施形態において、ナノ構造は、異なる断面形状（図示せず）としてグループ化することができる。例えば、ナノ構造の複数のグループうちの１つは、第１の断面形状を有することができ、ナノ構造の別のグループは、第１の断面形状とは異なる第２の断面形状を有することができる。「断面形状」という用語は、ナノ構造１２１の垂直の対称軸に対して垂直にナノ構造を切り取った横断面の形状を意味する。
【００２０】
さらに、ナノ構造１２１は、上から見ると特定の形状を有することもできる。図１Ｂは、上から見ると円形状のナノ構造１２１を示し、これはナノ構造１２１が円筒形である場合に形成される。１つの実施形態において、上から見る場合にナノ構造が取ることができる他の形状としては、長方形、正方形、六角形、八角形、多角形、及び他の三角法の形状が挙げられる。別の実施形態において、ナノ構造は、上から見る場合に異なる形状（図示せず）によってグループ化することができる。例えば、ナノ構造の複数のグループのうちの１つは、上から見ると第１の形状を有することができ、別のグループのナノ構造は、上から見ると第１の形状とは異なる第２の形状を有することができる。
【００２１】
図１Ａの実施形態に示すように、各ナノ構造１２１は、頂面の長さ（ｔ）、高さ（ｈ）、及び２つの隣接したナノ構造間の距離（ｂ）などの寸法パラメータによって定義することができる。図１Ｂに関して、ナノ構造１２１が円筒形である場合、頂面の長さはＤ（直径）で表すことができ、２つの隣接したナノ構造間の距離はｇ（間隙）で表すこともできる。
【００２２】
１つの実施形態において、頂面の長さ（ｔ）又は（Ｄ）は、１００ナノメートル（ｎｍ）〜５００ｎｍの範囲とすることができ、高さ（ｈ）は５００ｎｍ未満、さらに２つの隣接したナノ構造間の距離（ｂ）又は（ｇ）は、４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることができる。寸法パラメータは、ナノ構造が製作される手法及びプロセスに左右され、従って、制限的と考えるべきではないことを認識されたい。
【００２３】
頂面、底面、及び側壁面の平滑性は、特定の構造色を発生させるために極めて重要であることを認識されたい。１つの実施形態において、ナノ構造の頂面、ナノ構造間の底部／床面、空洞形式ナノ構造の底面、及びナノ構造の側壁表面の平滑性は、２０ｎｍ未満とすることができる。平滑性を達成する能力に応じて、ナノ構造の頂面、ナノ構造間の底部／床面、空洞形式ナノ構造の底面、及びナノ構造の側壁表面の表面平滑性は、１ｎｍ未満とすることができる。
【００２４】
特定の構造色を発生させるために重要である別の要素は、側壁角度である（又は、ナノ構造の鉛直性と呼ぶこともできる）。１つの実施形態において、ナノ構造の側壁角度は、５°未満とすることができる。好適な実施形態において、及び、ナノ構造を生成するために使用される手法及びプロセスに応じて、ナノ構造の側壁角度は、１°未満とすることができる。
【００２５】
特定の構造色を発生させるために重要である別の要素は、ナノ構造の構造精度を定める（ｉ）直線、（ｉｉ）縁部の尖鋭度、及び（ｉｉｉ）隅部の曲率である。１つの実施形態において、ナノ構造のパロディ（ｐａｒｏｄｉｃ）平行線／空間のアレイを定めるラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）は、５ｎｍ未満である。
【００２６】
ＣＶＤダイヤモンド成長技術は、（ｉ）結晶格子にＣＶＤ成長中に取り込まれる不純物、（ｉｉ）空孔、（ｉｉｉ）転位、及び／又は、ｉｖ）欠陥、の密度及び分布を制御することによって、材料の屈折率を制御及び設計することができることを認識されたい。ナノ構造の作製と組み合わされた分子レベルでのダイヤモンドの特性を設計する能力は、過去に観察されなかった光回折などの特有の光学特性を可能にすることができる。
【００２７】
図２Ａ〜図２Ｂは、例示的かつ非限定的であるが、本発明の１つの実施形態による構造色に対する種々の寸法パラメータの影響を示す。図２Ａ及び２Ｂの両方は、異なる構造色を示す複数のボックス２１０及び２２０によって表されている。各ボックス２１０及び２２０は、９ミクロン（μｍ）×９μｍの領域を取り囲み、その領域内に複数のナノ構造を含む。１つの実施形態において、ボックス２１０及び２２０内に形成されたナノ構造は、図１Ａのナノ構造１２１と類似とすることができる。各ボックス内に形成されたナノ構造は、周期的方法で及び／又はアレイ構成で配置することができる。
【００２８】
各ボックス２１０及び２２０は、複数のナノ構造を含む。これらのナノ構造は、「ナノポスト」と呼ぶこともできる。しかしながら、各ボックスは、（ｉ）２つの隣接したナノ構造（すなわち、隣接ナノ構造）間の縁部間距離（「ｇ」によって表される）、（ｉｉ）ナノ構造の直径サイズ（「Ｄ」によって表される）に関して他のボックスとは異なる。隣接した周期的なナノ構造の間の中心間距離は「ピッチ」と呼び、（Ｄ＋ｇ）と定義することができ、Ｄは円形状に関するものでありナノ構造の断面寸法を定めることを認識されたい。図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、右上隅は、最大ピッチ値及び最大直径値を有し、一方、左下隅は、最小ピッチ値及び最小直径値を有する。
【００２９】
１つの実施形態において、構造色の差異は、散乱格子のように挙動する周期的ナノ構造のアレイと組み合わされた誘電材料としてのダイヤモンドによる、磁場の高屈折率共鳴及び電場の高屈折率共鳴の両方からの光回折に起因して発生する。材料及び周期的ナノ構造の組み合わせに起因する光回折によって、特定の波長の濾過が生じ、その結果、構造色が発生する。散乱は、「Ｍｅｉ散乱」と呼ぶことができる。ナノ構造のアレイのサイズ（Ｄ又はＬ）及び間隙（ｇ）は、２次元（２Ｄ）格子を形成し、明視野は、材料誘電率及び透磁率の周期性に従うので、光干渉によって、可視光帯域の波長での共鳴が発生し、画素内の色が形成される。ナノ構造散乱が、（反射モード又は透過モードにおいて）最小の損失及び十分な強度で光を閉じ込める共鳴状態に可視光の波長を選択する場合、対応する色は光学明視野顕微鏡で検出することができる。それによって、当業者は、ナノ構造のサイズ及びナノ構造間の間隙を制御することによって構造色を変更することができるであろう。さらに、構造色を発生させるための方法を知ることの延長線上で、画像を形成することができる。
【００３０】
図２Ａは、直径（Ｄ）及び間隙（ｇ）が変更される場合の反射モードの結果として発生した構造色を示す。右上隅である一方の最端部において、ボックス２１０は、ナノ構造の直径が５００ｎｍであり、ボックス２１０内の２つの連続したナノ構造間の間隙が５００ｎｍである場合に青色構造色（すなわち、濃い構造色）を呈示する。左下隅である他方の最端部で、ボックス２１０は、ナノ構造の直径が１０ｎｍであり、ボックス２１０内の２つの連続したナノ構造間の間隙が１０ｎｍである場合に無色効果を呈示する。しかしながら、ボックス２１０は、右下隅及び左上隅で全く同じ構造色を示している。これは、ナノ構造の同様の周期性を有するボックス２１０であれば同様の色を示すことになることを明確に示す。また、図２Ａは、ナノ構造の直径及び間隙を変更することによって発生する反射モードでの構造色の大きな色域を示す。
【００３１】
他方で、図２Ｂは、直径及び間隙が変更され場合の透過モードの結果として発生した構造色を示す。左下隅である一方の最端部で、ボックス２２０は、ナノ構造の直径が５００ｎｍであり、ボックス２１０内の２つの連続したナノ構造間の間隙が５００ｎｍである場合に灰色がかった構造色を示している。右上隅である他方の最端部で、ボックス２２０は、ナノ構造の直径が１０ｎｍであり、ボックス２２０内の２つの連続したナノ構造間の間隙が１０ｎｍである場合に無色効果を示している。図２Ａと同様に、右下隅及び左上隅でのボックス２２０は、全く同じ構造色を示している。さらに、図２Ｂは、ナノ構造の直径及び間隙を変更することによって発生する透過モードでの構造色の大きな色域を示す。
【００３２】
図２Ａ及び図２Ｂの各ボックス２１０又は２２０の構造色は、それぞれ、透過される光の波長によって異なる場合もあることを認識されたい。これは、図３に示すように２つの赤色破線のボックス２３０及び２４０内のボックス２１０の分光分析結果によって確認することができる。
【００３３】
図３は、例示的かつ非限定的であるが、図２Ａの２つの赤色破線のボックス２３０及び２４０内のボックス２１０の分光分析結果を示す。１〜６によって表された複数の色付き線は、図２Ａのボックス２１０を示す。例えば、線１は、ボックス２３０の底面及びボックス２４０の左側に位置するボックス２１０を示す。対照的に、線２は、ボックス２３０の上側及びボックス２４０の右側に位置するボックス２１０を示す。
【００３４】
スペクトル内の各線１〜６は、ピーク及びディップを示す。スペクトル内のディップは、吸収の高い割合を示すが、ピークは、反射の高い割合を示す。例えば、線１のディップは、小径のナノ構造が、ディスク及びそれほどではないにせよ後方反射体による光パワー吸収に起因することを示す。全体として、これらは、この波長での反射防止層としての機能を果たす。対照的に、線４などの大径ナノ構造のディップは、広範のナノ構造間の干渉の結果である。この状態では、光パワーは、間隙を通ってナノ構造の周りを流れる。ピークは、散乱強度の増大に対応する。光パワーは、散乱強度の増大に起因して大径ナノ構造のために強化される。直径は一定のままでありかつ間隙の大きさが変わる水平線において、色は赤色から緑色まで徐々に変わる。
【００３５】
１つの実施形態において、非対称の外形形状を有するナノ構造は、構造色に影響を与える場合もある。例えば、矩形のナノ構造において、縁部は、ＬＸ（ｘ方向の長さ）及びＬｙ（Ｙ方向の長さ）によって定義され、構造色は、偏光角にとともに変化し始める。例えば、Ｌｘ＝５０ｎｍ及びＬｙ＝６０ｎｍの場合、色は、０°の場合の淡赤色から９０°の場合の黄色に変わる。しかしながら、Ｌｘ＝１８０ｎｍ及びＬｙ＝６０ｎｍの場合、色は、０°の場合の暗赤色から９０°の場合の淡赤色に変わる。
【００３６】
さらに、（図１Ａで説明したような）ダイヤモンドのバルクによって生じた固有色は、ナノ構造と組み合わせて、色の様々な差異をさらにもたらし、単にナノ構造の追加によって又は単に不純物を有するによって実現できる色域をさらに強化することができる。例えば、最初は茶色の着色ダイヤモンドは、ナノ構造によって生じる色の反射又は透過に影響を与えることになり、このような方法で、最終的な色は両方の組み合わせになるはずである。無色ダイヤモンド上のナノ構造によって生じた色と、例えば、茶色のダイヤモンド上のナノ構造によって生じた色と比較すると、色彩及び彩度及び明度の色座標が異なることが分かる。
【００３７】
別の実施形態において、ナノ構造を有するダイヤモンドは、焼鈍（熱処理）されると、及び／又は高エネルギー粒子又は輻射（電子、陽子、中性子、ガンマなど）が照射されると、ダイヤモンドの固有色が変わることが良く知られている。これは、内部欠陥及び／又は不純物に及ぼす影響のためである。これらのプロセスにより、不純物及び空孔は、結晶格子の欠陥（格子間物及び空孔）を移動及び／又は変化させることができるので、ダイヤモンドのバルクの色が変化することになる。これにより、組み合わせとして表面上のナノ構造からの色とダイヤモンドのバルクからの色との組み合わせとして生じる発生色を変更することになり、さらに幅広い色域につながる。
【００３８】
別の実施形態において、ナノ構造は、形成された非平面の表面とすることができる。換言すると、ナノ構造は、マクロ／マイクロスケールで異なる高さを有する複数のレベルのプラットフォーム上で形成することができる。これらの非平面の表面の結果として、ナノ構造は、全く同じサイズ及び間隙を有するにもかかわらず、発生色は異なるものとなる。非平面の表面上に形成されたナノ構造は、３Ｄ回折効果又はホログラムパターンをもたらすのを助けることができる。発生色を制御する別のアドオン要素は、ダイヤモンド上のナノ構造の３Ｄパターンによって形成される色域の増加を引き起こす。
【００３９】
従って、１つの例示的な実施形態において、当業者は、図２Ａ、図２Ｂ、及び図３の開示された構造色バリエーションを使用することによって、及び／又は非対称の外形形状、バルク色、及び焼鈍を使用することによって、構造色パレット（palate）を形成することができる。構造色パレットは、複数の画素で構成することができ、各画素は、単一のナノ構造、又は、赤、緑、及び青の色（ＲＧＢ）を表示する一群のナノ構造によって定義することができる。この画素を使用して、高解像度色画像１０５ドット／インチ（ｄ．ｐ．ｉ）又はそれ以上を達成することができる。この解像度は、各画素のサイズを制御することによって変更することができる。例えば、解像度は、各画素のサイズを低減することによって増大させることができる。各画素領域内で、ナノ構造を規則正しいアレイ又は一様な分布で配置することができ、又は隣接したナノ構造間の間隔（ｇ）を維持してランダムに配置することができるが、
【００４０】
さらに、色画像は、明視野照明を使用して観測可能とすることができる。光回折限界までの解像度を有する明視野色画像を取得することができる。色彩情報は、寸法パラメータ及びナノ構造の位置でコード化することができるので、ナノ構造の調整は、個々の画素の色を決定することができるようになっている。様々な画像のカラー画像化を適用して、高解像度、くっきりした色変化、及び細かい色調変化を有するフルカラー画像又はマイクロ像を発生させることができる。
【００４１】
図４は、例示的かつ非限定的であるが、本発明の１つの実施形態による、宝石への本発明の１つの適用を示す。宝石４００は、複数のナノ構造４１０を有する複数の表面を含む。目的とするこれらの複数のナノ構造４１０は、表面が光で照らされたときに構造色を発生させるように表面上に形成される。ナノ構造は、色を発生させるための回折格子の機能を果たす。上述したように、ナノ構造内の光回折によって、構造寸法及び設計に比例した特定の波長で共鳴が生じる。これは、反射及び透過モードで行われる。ダイヤモンドは、色選択度を高めて、色域、角度視野独立性、及び彩度を広げる。１つの実施形態において、ナノ構造４１０は、図１Ａのナノ構造１２１に類似することができる。
【００４２】
図４の実施形態に示すように、宝石４００は、丸いブリリアントカットの形である。しかしながら、宝石ダイヤモンドは、様々な他のダイヤモンドカットとすることができることを認識されたい。例えば、代替実施形態において、宝石ダイヤモンドは、プリンセスカット、クッションカット、エメラルドカットなどの形とすることができる。当業者は、カットはダイヤモンドの輝きに大きな影響を与えることを認識している。
【００４３】
ダイヤモンドカットは、小平面の対称配置を成し、各小平面は、一緒になって宝石ダイヤモンドの形状及び外観を改変する。例えば、宝石４００は、５８の小平面（丸いブリリアントカットの小平面の数）を有する。宝石ダイヤモンドの各小平面は、ほぼ平面である。１つの実施形態において、各表面は、図１Ａの表面１１０と類似とすることができる。
【００４４】
図４の実施形態をさらに参照すると、ナノ構造は、宝石４００の上半分に位置する小平面上に形成されているだけである。これらのナノ構造によって生じる構造色は、宝石ダイヤモンドの頂面全体を取り囲む。しかしながら、ナノ構造は、宝石ダイヤモンドの下半分又は宝石ダイヤモンドの選択された表面に位置する小平面上に形成することもできることを認識されたい。
【００４５】
図５は、例示的かつ非限定的であるが、構造色を示すダイヤモンドを形成する方法に関するフローチャートを示す。１つの実施形態において、図５の方法から形成されるダイヤモンドは、図１Ａのダイヤモンド１００又は図４の宝石４００にような宝石と類似することができる。
【００４６】
ステップ５１０において、ダイヤモンドの表面を準備する。１つの実施形態において、表面は、図１Ａの表面１１０と類似とすることができる。表面を準備する前に、表面を作製することが必須である。図１Ａで述べたように、表面は、Ｈ終端表面である。ＣＶＤ起源を有するダイヤモンドに関して、Ｈ終端表面は、成長の結果として得ることができる。具体的には、ＣＶＤ成長の混合体中の主なガス成分である水素は（すなわち、Ｈ２が９０％を超える）、水素添加されたダイヤモンド面終端をもたらす。
【００４７】
１つの実施形態において、表面の導電性は、表面を酸性蒸気に晒すことによって増大させることができる。さらに、過酸化水素、酸素の電気化学的還元の中間体は、同様に水素添加を増大させることができる。
【００４８】
ダイヤモンドの表面は、１ｎｍ未満の平滑性を含み、領域全体にわたって平坦である必要がある。ナノ構造内の光回折は、特に表面平滑性及び平坦度に左右されることを認識されたい。
【００４９】
ステップ５２０において、レジストをダイヤモンドの表面上へ被覆する。当業者は、ダイヤモンドの表面上に被覆することができるレジストの種類を認識している。ステップ５３０で述べるように、露出を表面上に実行することができるようにレジストを被覆する。１つの実施形態において、レジストは、ＨＳＱ、Ｎｉ−Ｔｉ及びＡｌなどのハードマスクとすることができる。ハードマスクは、高アスペクト比を有するダイヤモンドナノ構造を製作するために利用される。
【００５０】
ステップ５３０において、ダイヤモンド面上の選択領域をフォトリソグラフィによって露出させる。１つの実施形態において、選択領域は、ナノ構造が形成される領域と類似する。代替的に、選択領域は、エッチングをステップ５４０に従って実行することができる領域と類似することができる。
【００５１】
代替実施形態において、ダイヤモンド面上の選択領域は、電子ビーム（ｅビーム）リソグラフィによって露出させる。ｅビームリソグラフィは、レジストと呼ばれる電子感受性フィルムで覆われた表面上に特別な形状を描くために合焦電子ビームをスキャンする実施方法である（露出）。電子ビームは、レジストの溶解度を変え、溶媒中に含浸させることによってレジストの露出領域又は非露出領域の選択的な除去を可能にする（現像）。
【００５２】
ステップ５４０において、ダイヤモンドの表面をエッチングして複数のナノ構造を形成する。エッチングプロセスは、パターンをダイヤモンドの表面上に転写することができる。１つの実施形態において、ステップ５４０の後の最終生成物は、図１Ａに示す実施形態と類似とすることができる。
【００５３】
１つの実施形態において、ダイヤモンドへのパターン転写は、乾式エッチング技法を利用して行うことができる。代替的に、ダイヤモンドへのパターン転写は、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ／ＲＩＥ）を利用して行うことができる。
【００５４】
典型的なＲＩＥプロセスは、プラズマ形成を含み、イオンは、基板の方に加速され、従って、材料を物理的に除去することができることを認識されたい。このプロセスでは、ダイヤモンド上にパターン化されるレジスト／樹脂材料の間の選択性が低い場合があり、従って、ダイヤモンド面の高解像度で高密度かつ高アスペクト比のナノパターニングに必ずしも理想的というわけではない。１つの例示的な実施形態において、ＣＶＤ成長用の機械的に処理された単結晶ダイヤモンド面を作製するために、１０〜１００ｍＴｏｒｒの圧力の酸素炭素フッ化物（Ｏ２−ＣＦ４）ガス混合物が適切である。
【００５５】
他方で、ＩＣＰエッチングプロセスは、化学エッチングプロセスであり、プラズマは、エッチングガスをフリーラジカル（すなわち、中性化学種）及びイオン（すなわち荷電化学種）に分解するために使用される。遠隔距離で形成されるプラズマとエッチングされる基板との間には間隙がある。プラズマとエッチングされるダイヤモンドとの間の間隙において、プラズマ中に生じたイオンの大部分が除去される。従って、ダイヤモンドに到達する化学種の大部分は中性である。広範な格子欠陥（例えば、破損領域）を有する領域内のものなどの、基板内のより高エネルギー状態の原子は、エッチングがより容易なので、この種類のエッチングは、一般に広範な格子欠陥の領域を優先的にエッチングし、表面が粗面化される。
【００５６】
乾式エッチング技法は、タングステンハードマスクに好ましい。ステップ５２０で言及したように、ハードマスクは、乾式エッチング技法と一緒になって高アスペクト比ナノ構造の形成を可能にすることができる。
【００５７】
１つの実施形態において、プラズマエッチングで使用されるＩＣＰプラズマガス混合物は、不活性ガス及び塩素から成り、この不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、又はこれらのうちの２以上の混合物であり、以下の条件を満足する。すなわち、（ａ）プラズマエッチングされた表面の粗度Ｒｑは、元の表面の粗度未満であり、プラズマエッチングされた表面のＲｑは、１ｎｍ未満であり、（ｂ）元のダイヤモンド面は、プラズマエッチングの前に機械的に処理済みであり、プラズマエッチング表面には、機械研磨プロセスにより残留する損傷が実質的にない。
【００５８】
エッチングパラメータは、ナノ構造のための鉛直性、直線、及び鋭い／湾曲した隅部を得るために変更する必要がある。エッチングプロセスは、非パターン形式にも依存するエッチング電力（Ｗａｔｔ単位）、圧力、ガス種類、及び持続時間を含む、エッチングパラメータの最適化を必要とする。
【００５９】
方法工程を特定の順序で説明したが、他の工程を説明した工程の間で実行することができる、又は、説明した工程は、少し異なる時間で行われるように調整することができる、又は、説明した工程は、オーバーレイ工程の処理が所望の方法で実行される限り、処理に関連した様々な間隔で処理工程の発生を可能にするシステムに分散することができることを理解されたい。
【００６０】
上記は、本発明の原理を単に例示するに過ぎず、様々な修正を本発明の範囲及び精神から逸脱することなく当業者によって行うことができる。
【００６１】
１つの実施形態において、ダイヤモンドは、少なくとも１つの表面と、ダイヤモンドの少なくとも１つの表面上に形成された複数のナノ構造とを含み、複数のナノ構造は、１又は２以上の構造色をダイヤモンドの表面上に発生させる。
【００６２】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドは、イメージの知覚、深さの知覚、及びサイズの知覚から成る群から選択された視覚を発生させる。
【００６３】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドにおいて、複数のナノ構造内のナノ構造は、形状が全く同じである。
【００６４】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドにおいて、複数のナノ構造内のナノ構造は、少なくとも２つの異なる形状に分類される。
【００６５】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドにおいて、ナノ構造の形状は、表面に垂直な方向から見た場合の断面領域によって定義され、三角形、矩形、六角形、八角形、多角形、円形、楕円形から成る群から選択することができる。
【００６６】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドにおいて、複数のナノ構造内のナノ構造は、少なくとも２つの異なる高さに従って分類される。
【００６７】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドにおいて、複数のナノ構造内のナノ構造は、周期的な構成で配置される。
【００６８】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、少なくとも２つの隣接したナノ構造は、４０ナノメートル（ｎｍ）〜２００ｎｍの範囲の距離によって分離される。
【００６９】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、周期的な構成は、人間の目による目視で識別可能である構造色を発生させるだけ十分に大きい。
【００７０】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、各ナノ構造は、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の断面長さを有し、５００ｎｍ未満の距離によってダイヤモンドの少なくとも１つの表面から延びる。
【００７１】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、各ナノ構造は、頂面、底面、及び側面を含み、頂面は、１０ｎｍ未満の表面平滑性を有し、側面は、２０ｎｍ未満の表面平滑性を有し、底面は、１０ｎｍ未満の平滑性を有する。
【００７２】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、複数のナノ構造内のナノ構造の群は、複数のナノ構造内のナノ構造の別の群とは異なる１又は２以上の特性を有する。
【００７３】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、ダイヤモンドの表面上に形成された別の複数のナノ構造をさらに備え、別の複数のナノ構造は、他の構造色をダイヤモンドの表面上に発生させ、構造色は、他の構造色とは異なる。
【００７４】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、ダイヤモンドの表面とは異なる平面上にあるダイヤモンド上の別の表面をさらに備え、別の表面は、複数のナノ構造を含む。
【００７５】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドは、採掘ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、又はＨＰＨＴダイヤモンドである。
【００７６】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、ダイヤモンドは、本質的に着色ダイヤモンドである。
【００７７】
上記実施形態のいずれかに定義されるダイヤモンドにおいて、少なくとも１つの表面は、水素終端及び酸素終端から成る気体終端の群から選択された気体終端によって官能化される。
【００７８】
別の実施形態において、別のダイヤモンドは、少なくとも１つの表面と、ダイヤモンドの少なくとも１つの表面上に形成された複数のナノ構造とを備え、複数のナノ構造は、ダイヤモンドの少なくとも１つの表面上に視覚を発生させる。
【００７９】
上記実施形態に定義されるダイヤモンドにおいて、視覚は、色の知覚、深さの知覚、及びサイズの知覚から成る知覚群から選択される。
【００８０】
代替実施形態において、構造色を示すダイヤモンドを形成する方法は、ダイヤモンドの表面を準備するステップと、複数のナノ構造をダイヤモンドの表面上に形成するステップとを含み、複数のナノ構造は、可視光が当てられると構造色を発生させる。
【００８１】
上記実施形態に定義される方法において、複数のナノ構造を形成するステップは、ナノ構造を形成するためにダイヤモンドの表面をエッチングするステップをさらに含む。
【００８２】
上記実施形態に定義される方法において、エッチングは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ／ＲＩＥ）を使用する。
【００８３】
上記実施形態に定義される方法において、ＣＰ／ＲＩＥ実行する際の気体組成は、不活性ガス及び塩素の群から選択された気体で構成され、不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、又は、これらの２以上の混合物である。
【００８４】
上記実施形態に定義される方法において、複数のナノ構造を形成するステップは、レジスト層をダイヤモンドの表面上に被覆するステップと、リソグラフィ手法（ＩＰ）を用いて、ダイヤモンドの表面上の選択領域を露出させるステップと、ダイヤモンドの表面上のナノパターンを現像するステップとをさらに含む。
【００８５】
上記実施形態に定義される方法において、リソグラフィ手法（ＩＰ）は、電子ビーム描画、陽子ビーム描画、集束イオンビーム、レーザー干渉リソグラフィ、自己組織化リソグラフィ、ブロック共重合体リソグラフィ（ＢＣＰ）、及び陽極アルミナ（ＡＡＯ）リソグラフィから成る群から選択される。
【００８６】
上記実施形態に定義される方法において、表面を水素終端及び酸素終端から成る気体終端の群から選択される気体終端で官能化するステップをさらに含む。
【００８７】
上記実施形態に定義される方法において、別の複数のナノ構造をダイヤモンドの表面上に形成するステップをさらに含み、複数のナノ構造は、可視光が当てられると別の構造色を発生させる。
【符号の説明】
【００８８】
100  ダイヤモンド
110  バルク
121  ナノ構造
122  表面
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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