(57)【要約】【課題】膜厚方向の金属微粒子配列に規則性を持たせることが可能で、かつ金属微粒子の誘電体中における分散密度を高めることのできる機能性多層膜を提供する。【解決手段】多数の金属微粒子４を誘電体からなるマトリックス１に固定してなる機能性膜であって、上記マトリックス１は所定の厚さに成膜される誘電体薄膜２と該誘電体薄膜２の膜面３上に分散配置される上記金属微粒子４とからなる金属分散薄膜５を積層してなり、上記各金属分散薄膜５の間に、上記誘電体薄膜２よりも金属の拡散速度の遅い材質からなるバリア膜６を成膜してなる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の金属微粒子を誘電体からなるマトリックスに固定してなる機能性膜であって、
上記マトリックスは所定の厚さに成膜される誘電体薄膜と該誘電体薄膜の膜面上に分散配置される上記金属微粒子とからなる金属分散薄膜を積層してなることを特徴とする機能性多層膜。
【請求項２】
上記マトリックスは上記各金属分散薄膜の間に、上記誘電体薄膜よりも金属の拡散速度の遅い材質からなるバリア膜を成膜してなることを特徴とする請求項１記載の機能性多層膜。
【請求項３】
上記誘電体薄膜に分散配置される金属微粒子は金属分散薄膜毎または複数の金属分散薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることを特徴とする請求項１記載の機能性多層膜。
【請求項４】
上記誘電体薄膜は上記金属分散薄膜毎または複数の金属分散薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることを特徴とする請求項１記載の機能性多層膜。
【請求項５】
上記マトリックスは上記金属分散薄膜の積層部分の中間及びまたは上記金属分散薄膜の積層部分の端部に多層膜フィルタを有してなることを特徴とする請求項１記載の機能性多層膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小な金属粒子を誘電体中に分散させた機能性膜であって、特に金属粒子の大きさを略均一にすると共に膜厚方向の配列に規則性を持たせた機能性多層膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非線形光学効果を示す光学材料として、金属等からなる微細な粒子を誘電体中に分散させ固定したものが用いられている。このような光学材料は、電位差を与えることにより、入射光の屈折や回折を変化させることができ、また逆に光を入射させることで材料内の電界を変化させることができる。このような特性を利用して、非線形光学効果を示す光学材料は、光通信分野や全光演算素子等に活用することができる。
【０００３】
ここで、その光学材料の特性は、誘電体からなるマトリックス中に分散される金属微粒子の大きさや配列によって変化する。したがって、所望の性能を有する光学材料を製造するには、金属微粒子を所定の大きさや配列にすることが必要である。金属微粒子の直径には、入射光の波長による最適値があり、光の波長の１０分の１程度とするのが最も適切である。また、誘電体マトリックス中において金属微粒子は、できるだけ同じ大きさであると共に、その粒子密度は均一に分散されていることが望ましい。さらに、金属微粒子に特定の配列を持たせた構成とすることで、所望の特性を持たせることができる。
【０００４】
このような非線形光学効果を示す光学材料は、例えば特表平１１−５１４４９２のように、ポリマー等を含む溶液中に金属微粒子を包含させ、溶液の揮発性溶媒を除去し、金属微粒子が封入された誘電体マトリックスを形成することによって製造される。この場合には図７に示すように、金属微粒子４は誘電体マトリックス１内にランダムに分散される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の非線形光学効果を示す光学材料においては、以下の問題点を有していた。
金属微粒子を誘電体中にランダムに分散させる場合には、金属微粒子の配列に規則性を持たせることはできず、また部位による粒子密度のばらつきを生じやすい。また、金属微粒子は誘電体中を拡散するため、金属微粒子の分散密度を大きくした場合には、造粒作用により粒子が大きくなることがあり、粒子の大きさが不安定となる。このように粒子の分布にばらつきを生じることや、大きさが不安定であることにより、従来の光学材料においては優れた非線形性を得るには至らなかった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、膜厚方向の金属微粒子配列に規則性を持たせることが可能で、かつ金属微粒子の誘電体中における分散密度を高めることのできる機能性多層膜を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る機能性多層膜は、多数の金属微粒子を誘電体からなるマトリックスに固定してなる機能性膜であって、上記マトリックスは所定の厚さに成膜される誘電体薄膜と該誘電体薄膜の膜面上に分散配置される上記金属微粒子とからなる金属分散薄膜を積層してなることを特徴として構成されている。
【０００８】
本発明によれば、薄膜の膜面上に金属微粒子を分散配置して積層するので、膜厚方向に所定の間隔で金属微粒子を配置することができる。
【０００９】
また、本発明に係る機能性多層膜の上記マトリックスは、上記各金属分散薄膜の間に、上記誘電体薄膜よりも金属の拡散速度の遅い材質からなるバリア膜が成膜されてなることを特徴として構成されている。
【００１０】
本発明によれば、金属微粒子はバリア膜を越えて拡散しにくいために、誘電体薄膜を薄くしても、隣接する誘電体薄膜上に配置された金属微粒子同士の凝集が発生しにくい。
【００１１】
さらに、本発明に係る機能性多層膜は、上記誘電体薄膜に分散配置される金属微粒子は金属分散薄膜毎または複数の金属分散薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることを特徴として構成されている。
【００１２】
さらにまた、本発明に係る機能性多層膜は、上記誘電体薄膜は上記金属分散薄膜毎または複数の金属分散薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることを特徴として構成されている。
【００１３】
本発明によれば、金属微粒子や誘電体薄膜の材質を機能性多層膜内で変化させることにより、１つの機能性多層膜に複合的な機能性効果を持たせることができる。
【００１４】
そして、本発明に係る機能性多層膜は、上記マトリックスは上記金属分散薄膜の積層部分の中間及びまたは上記金属分散薄膜の積層部分の端部に多層膜フィルタを有してなることを特徴として構成されている。
【００１５】
本発明によれば、任意の波長の光を機能性多層膜内で通過または反射させることができ、特定の波長の光は通過させると共に、別の特定の波長の光については機能性多層膜内で反射を繰り返させる機能を機能性多層膜に持たせることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図に沿って詳細に説明する。まず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態における機能性多層膜を模式的に示した斜視図である。また、図２は、第１の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【００１７】
これら各図において、本実施形態における機能性多層膜は、図示しない基板上に誘電体からなる誘電体薄膜２を成膜し、この誘電体薄膜２の膜面３上に金属微粒子４を分散配置させて金属分散薄膜５を形成し、これを積層してなるマトリックス１からなるものである。誘電体薄膜２の材質としては、ＳｉＯ２等が用いられる。また、金属微粒子４としてはＡｕ等が用いられる。
【００１８】
図１は、本実施形態における機能性多層膜を誘電体薄膜毎に分離した形で示した模式図であり、この図に示すように、１層目の誘電体薄膜２ａの膜面３には金属微粒子４がランダムに分散配置されて、金属分散薄膜５を形成している。その上には２層目の誘電体薄膜２ｂが成膜され、その膜面３には金属微粒子４がランダムに分散配置されて、金属分散薄膜５を形成している。さらに、その上には３層目の誘電体薄膜２ｃが成膜され、その膜面３には金属微粒子４がランダムに分散配置されて、金属分散薄膜５を形成している。図示しない４層目以降についても同様に、誘電体薄膜２を成膜し、その膜面３に金属微粒子４をランダムに分散配置して、金属分散薄膜５を積層する。
【００１９】
図２は、このようにして形成されたマトリックス１の断面図であり、この図に示すように、各誘電体薄膜２ａ〜２ｅは略同一の厚さに成膜され、したがってマトリックス１中の金属微粒子４は、同一面上においてはランダムに配置されるものの、膜厚方向について略一定間隔毎に配置されることになる。図２においては、誘電体薄膜２を２ａ〜２ｅまで５層としている。ただし、積層する誘電体薄膜２の層数はこれに限られるものではない。
【００２０】
このように、誘電体薄膜２を成膜してその膜面３に金属微粒子４を分散配置したことによって、膜厚方向には金属微粒子４を略同じ間隔毎に配置することができるため、誘電体マトリックス中にランダムに金属微粒子４を配置する場合に比べて、部位的なばらつきを抑えることができ、より良好でかつ光線の入射角度に依存した固有な非線形性を示す機能性材料とすることができる。
【００２１】
誘電体薄膜２の膜面３に、金属微粒子４を分散配置した金属分散薄膜５を積層してなるマトリックス１を形成するには、以下のように成膜を行う。図示しない基板上に、誘電体薄膜２を所定の膜厚に成膜し、その膜面３に金属の成膜を施すと、成膜のごく初期段階において島状の初期金属膜が生成される。この段階で成膜を停止すると、誘電体薄膜２の膜面３には金属微粒子４がランダムに分散配置された状態になり、金属分散薄膜５を形成する。この上に再び誘電体薄膜２を任意の膜厚に成膜することで、金属微粒子４は誘電体薄膜２の膜面３に固定される。この過程を繰り返すことにより、金属分散薄膜５を積層したマトリックス１を形成することができる。なお、成膜は、スパッタ法やＣＶＤ法等の方法を用いて行うことができる。
【００２２】
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本発明に係る機能性多層膜は、誘電体薄膜２の膜面３に金属微粒子４を分散配置した金属分散薄膜５の積層によって構成されているため、金属微粒子４に膜厚方向について配列パターンを与えることができる。第１の実施形態では金属微粒子４を膜厚方向に略一定間隔となるように配置している。しかし、必ずしも一定間隔とする必要はなく、任意の間隔となるように誘電体薄膜２を成膜することもできる。
【００２３】
図３に示すように本実施形態においては、誘電体薄膜２の膜厚を一定とせず、それぞれ任意の膜厚に形成されている。すなわち、図３においては、誘電体薄膜２ｂ、２ｃは他の誘電体薄膜２ａ、２ｄ、２ｅよりも厚く成膜されている。誘電体薄膜２の膜面３上に金属微粒子４をランダムに分散配置することについては、上記第１の実施形態と同様である。このように、誘電体薄膜２の膜厚を変化させて積層することにより、金属微粒子４は膜厚方向に配列パターンを有することになる。したがって、所望の非線形光学効果をこの機能性多層膜によって得ることができるようになる。
【００２４】
次に、第３の実施形態について説明する。図４は、本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本発明に係る機能性多層膜は、誘電体薄膜２の膜面３に金属微粒子４を分散配置した金属分散薄膜５の積層によって構成されているため、誘電体薄膜２毎に誘電体の材質を変えたり、分散配置する金属微粒子４の材質を変えることができる。
【００２５】
本実施形態においては、誘電体薄膜２ａ、２ｂ、２ｃとそれ以外の誘電体薄膜２ｄ、２ｅとは異なった材質からなっている。また、誘電体薄膜２ａ、２ｂ、２ｃの膜面３、３に分散配置される金属微粒子４と誘電体薄膜２ｄ、２ｅの膜面３、３に分散配置される金属微粒子４とは異なった材質からなっている。なお、金属微粒子４は誘電体薄膜２の膜面３にランダムに分散配置されているという点については上記第１の実施形態と同様である。このように、金属分散薄膜５によって誘電体や金属微粒子４の材質を変えることにより、光干渉効果や分散微粒子間の交互作用を意図的に制御することで１つの機能性多層膜に複合的な機能を持たせることができる。
【００２６】
次に、第４の実施形態について説明する。図５は、本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本発明に係る機能性多層膜は、誘電体薄膜２の膜面３に金属微粒子４を分散配置した金属分散薄膜５の積層によって構成されているため、誘電体薄膜２を薄くすることで、金属微粒子４の高密度化を図ることができる。しかし、誘電体薄膜２を薄くすると、成膜中の基板温度上昇や成膜後の熱処理などによって、既に固定された金属微粒子４が誘電体薄膜２内を拡散し、凝集して膜厚方向の微細な島状構造を失うことがあり、機能性多層膜の非線形光学効果は低下する。
【００２７】
本実施形態においては、図５に示すように金属微粒子４を分散配置された誘電体薄膜２の間に金属の拡散速度の遅い材質からなるバリア膜６を成膜している。誘電体薄膜２よりも金属の拡散速度の遅い材質としては、窒化物系誘電体などがあり、例えばＳｉＮ等を用いることができる。このようにバリア膜６を積層することで、金属微粒子４の拡散を抑えることができ、誘電体薄膜２を薄くして金属微粒子４を高密度化しても、マトリックス１内における金属微粒子４の微細な島状構造を維持することができる。
【００２８】
次に、第５の実施形態について説明する。図６は本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本実施形態においては、マトリックス１の膜厚方向中間及び端部に多層膜フィルタ７ａ、７ｂ、７ｃを有した構成とされている。すなわち、誘電体薄膜２を積層した機能性多層膜領域８ａ、８ｂが多層膜フィルタ７ａ、７ｂ、７ｃに挟まれている。多層膜フィルタ７ａ、７ｂ、７ｃは、いわゆる狭帯域反射フィルタとして機能するもので、特定の波長の光のみを透過させる。このように構成することにより、特定の波長の光については、多層膜フィルタ７ａ、７ｂ、７ｃの反射ミラー効果により機能性多層膜領域８ａ、８ｂを何度か往復させることができるようになる。これによって、入射光に対する非線形光学効果を制御することができる。
【００２９】
機能性多層膜領域８ａ、８ｂにおいては、その領域における電界によって光の反射や透過をコントロールすることができるので、機能性多層膜領域８ａ、８ｂに図示しない電極を設けることで、上記のように特定の波長の光について反射を何度か繰り返させて、非線形光学効果を制御することができる。また、機能性多層膜領域８ａ、８ｂにおいては、光を入射させることにより、その領域における電界は変化する。したがって、機能性多層膜領域８ａ、８ｂにおいて、透過するある特定の光があった場合に、別の制御光を入射させることで電界状態を変化させて、その領域においてその特定の光を反射させるようにすることもできる。これにより、光により制御する光スイッチを構成することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、薄膜状に形成された誘電体薄膜を積層してマトリックスを形成し、多数の金属微粒子を各誘電体薄膜の膜面上に分散配置することにより、膜厚方向に所定の間隔で金属微粒子を配置することができる。これによりマトリックス内における金属微粒子の部位的なばらつきを抑えることができ、膜厚方向には所定間隔の配列を持つことになるので、良好な非線形性を有する機能性多層膜とすることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、各誘電体薄膜の間に、それを構成する誘電体よりも金属の拡散速度の遅い材質からなるバリア膜を成膜することにより、金属微粒子はバリア膜を越えて拡散しにくいために、誘電体薄膜を薄くしても、隣接する誘電体薄膜上に配置された金属微粒子同士の凝集が発生しにくい。これにより、誘電体薄膜を薄くして、金属微粒子の密度を高めることができる。
【００３２】
さらに、本発明によれば、誘電体薄膜や金属微粒子は誘電体薄膜毎または複数の誘電体薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることにより、１つの機能性多層膜に複合的な機能性効果を持たせることができる。
【００３３】
さらにまた、本発明によれば、マトリックスは誘電体薄膜の間及びまたは誘電体薄膜の端部に多層膜フィルタを有してなることにより、任意の波長の光を機能性多層膜内で通過または反射させることができ、特定の波長の光について機能性多層膜内で反射を繰り返させることができるので、機能性効果を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における機能性多層膜を模式的に示した斜視図である。
【図２】第１の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図３】第２の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図４】第３の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図５】第４の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図６】第５の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図７】従来の非線形光学効果を示す光学材料を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　マトリックス
２　　　　　　　　誘電体薄膜
３　　　　　　　　膜面
４　　　　　　　　金属微粒子
５　　　　　　　　金属分散薄膜
６　　　　　　　　バリア膜
７ａ、７ｂ、７ｃ　多層膜フィルタ
８ａ、８ｂ　　　　機能性多層膜領域
【図１】
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【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】
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【図７】
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