(57)【要約】本発明の一態様では、電界増強構造物（１００）が開示される。電界増強構造物（１００）は、基板（１０４）と、制御された距離（Ｓ）だけ互いに離間された少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）を有する規則的な誘電体粒子配列を有する。制御された距離（Ｓ）は、共振モードが、励起電磁放射に応じて少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）内のそれぞれに共振モードが励起されたときに、各共振モードが相互作用して少なくとも隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）間の電界が増強されるように選択される。本発明の他の態様は、前述の電界増強構造物を利用する電界増強装置（１０００）と、隣り合った誘電体粒子間の電界を増強する方法である。
2010532464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１０４）と、
制御された距離（Ｓ）だけ互いに離間された少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）を含む規則的な誘電体粒子配列であって、前記制御距離（Ｓ）は、励起電磁放射に応じて前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）内のそれぞれに共振モードが励起されたときに、前記共振モードがそれぞれ相互作用して、前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）間の電界が増強されるように選択される規則的な誘電体粒子配列とを有することを特徴とする電界増強構造物（１００）。
【請求項２】
前記制御された距離（Ｓ）は、前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）間の増強された電界の強度を最大にするように選択されることを特徴とする請求項１に記載の電界増強構造物。
【請求項３】
前記制御された距離（Ｓ）は、ゼロより大きいことを特徴とする請求項１に記載の電界増強構造物。
【請求項４】
前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）がそれぞれ、
半導体材料と、
電気絶縁材料と、
のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の電界増強構造物。
【請求項５】
前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（８０２，８０８）はそれぞれ、先端を有する突出部（８０６，８１２）を含む本体（８０４，８１０）を有し、前記突出部（８０６，８１２）それぞれの前記先端は、互いに対向し且つ制御された距離（Ｓ）だけ互いに離間されたことを特徴とする請求項１に記載の電界増強構造物。
【請求項６】
前記励起電磁放射を出力するように動作可能な励起光源（１００６）を含み、
請求項１に記載の前記電界増強構造物（１００２）が、励起光源（１００６）に動作可能に結合されたことを特徴とする電界増強装置（１０００）。
【請求項７】
前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０２，１００４）は、第１の方向に沿って分散され、
前記励起光源（１００６）は、特定の偏波方向と特定の波動ベクトルを有する電界を有する励起電磁放射を出力するように動作可能であり、前記特定の偏波方向は、前記第１の方向とほぼ平行であることを特徴とする請求項６に記載の電界増強装置。
【請求項８】
前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３，１００４）はそれぞれ、前記第１の方向とほぼ垂直な第２の方向を定義する厚さを有し、
前記励起光の前記特定の波動ベクトルは、前記第１及び第２の方向とほぼ垂直な第３の方向とほぼ平行であるか、前記励起光の前記特定の波動ベクトルは、前記第２の方向とほぼ平行であることを特徴とする請求項７に記載の電界増強装置。
【請求項９】
前記誘電体粒子（１０２，１０３，１００４）の隣りに配置された検体によって散乱されたラマン散乱光を受け取るように構成された検出器（１００８）を更に有することを特徴とする請求項６に記載の電界増強装置。
【請求項１０】
少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）間の電界を増強する方法であって、
前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）に、前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）内のそれぞれに共振モードを励起するように選択された周波数を有する励起電磁放射を照射するステップと、
前記少なくとも２つの誘電体粒子（１０２，１０３）を、前記共振モードがそれぞれ相互作用して前記少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子（１０２，１０３）間の電界が増強されるように十分近くに位置決めするステップとを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、電界増強構造物に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、隣り合った誘電体粒子間の入射電界を増強するための規則的な誘電体粒子構成を含む電界増強構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子周囲の電界の増強は、現在の科学技術で関心の高い話題である。例えば、表面増強ラマン分光法（「ＳＥＲＳ」）は、特別に作成された粗い金属表面又は金属粒子近くの増強電界を利用して検体からのラマン信号を増大させる周知の分光法である。ＳＥＲＳにおいて、検体は、活性化された金属表面又は構造物に吸着されるか又はその近くに配置される。検体並びに金属表面又は粒子に特定の周波数の光を照射すると、金属表面又は粒子の表面プラズモンが励起される。表面プラズモン周波数は、表面又は粒子の形状にあまり依存せず、主に金属の組成の関数である。
【０００３】
ＳＥＲＳの際、検体は、表面プラズモンの強い局所的電界を受け、検体固有のラマン光子が検体から散乱する。増強電界は、金属表面又は粒子なしにラマン分光を行ったときよりラマン信号が比較的多い１つの重要な要因と考えられる。例えば、金属表面からの増強電界は、ラマン散乱強度を１０3〜１０6倍に増強することがある。
【０００４】
最近、ラマン分光法は、電界を増強するために、単純な粗い金属表面とは対照的に、ナノメートルスケールのニードル、アイランド、ワイヤ等のランダムに配向された金属ナノ粒子を使用して実行されてきた。そのような金属表面に吸着した分子からのラマン散乱光子の強度は、１０16倍にも高められることがある。このレベルの感度では、ラマン分光法は、これまで単一分子を検出するために使用されてきており、一般にナノ増強ラマン分光法（「ＮＥＲＳ」）と呼ばれる。
【０００５】
ＳＥＲＳとＮＥＲＳに関する上記の説明の考察から分かるように、金属粒子の周囲の電界の増強はきわめて有用なものである。ＳＥＲＳとＮＥＲＳの他に、センサ、ラマンイメージングシステム、ナノアンテナ、他の多くの用途等の他の用途で、電界の増強を使用することができる。特定の用途に限らず、金属粒子又は表面を使用する電界増強には幾つかの制限がある。光を局所的プラズモン又は表面プラズモンに結合することができる周波数は、表面すなわち粒子形状にあまり依存せず、主に金属の組成の関数である。従って、金属表面又は金属粒子のサイズ又は形状の変化は、光を表面プラズモンに結合することができる周波数にほとんど影響がない。従って、光を表面プラズモンに結合することができる周波数は、本質的に、金属表面又は粒子の組成によって決定され、これにより、多くの用途においてその有用性が制限される。
【０００６】
拡張性がないことの他に、多くのタイプの金属ナノ粒子は有毒であることが分かっている。金属ナノ粒子の毒性は、電界増強構造物の安全な製造を困難にする可能性があり、また特定の生医学用途での金属ナノ粒子を含む電界増強構造物の適用を制限することがある。更に、金属粒子を有する電界増強構造物の製造は、一般に、金属ナノ粒子の自己集合分布に依存する。従って、金属ナノ粒子を正確に離間させたり整列させたりすることが困難なことがある。
【０００７】
従って、電界増強構造物の研究者及び開発者は、センサ、ラマン分光システム、及び他の多くの用途等の種々様々の用途において使用される拡張性を有し且つ有毒でない電界増強構造物の必要性を認識することができる。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の様々な態様は、隣り合った誘電体粒子間の入射電界を増強するための電界増強構造物、電界増強装置、及び隣り合った誘電体粒子間の電界を増強する方法を対象とする。本発明の一態様では、電界増強構造物が開示される。電界増強構造物は、基板と、制御距離だけ互いに離間された少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子を有する規則的な誘電体粒子配列とを有する。制御距離は、励起電磁放射に応じて少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子のぞれぞれに共振モードが励起されたときに、各共振モードが互いに相互作用して、少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子間の電界が増強されるように選択される。
【０００９】
本発明の別の態様では、電界増強装置が開示される。電界増強装置は、励起電磁放射を出力するように動作可能な励起光源を有する。電界増強装置は、更に、電界増強構造物を有する。電界増強構造物は、制御された距離だけ互いに離間された少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子を有する規則的な誘電体粒子配列を有する。制御された距離は、共振モードが、励起電磁放射に応じて少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子のそれぞれに励起されたときに、各共振モードが互いに相互作用して、少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子間の電界が増強されるように選択される。
【００１０】
本発明の更に別の態様では、少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子間の電界を増強する方法が開示される。この方法は、少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子のそれぞれに共振モードを励起するように選択された周波数を有する励起電磁放射を少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子に照射するステップを含む。この方法は、更に、少なくとも２つの誘電体粒子を、各共振モードが互いに相互作用して少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子間に増強電界が生じるように十分に近くに位置決めするステップを含む。
【００１１】
図面は、図面に示された様々な図又は実施形態において類似の参照番号が類似の要素又は特徴を指す本発明の様々な実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による電界増強構造物の概略上面図である。
【図２】図１に示した電界増強構造物の概略等角図である。
【図３】図１と図２に示された各誘電体粒子内で励起される幾つかの共振モードを示すグラフである。
【図４】図１と図２に示された各誘電体粒子内に閉じ込められ伝搬するウィスパリングギャラリーモードを示す概略図である。
【図５】図１と図２に示した隣り合った誘電体粒子間の間隔の関数として電界増強を示すグラフである。
【図６】本発明の様々な実施形態により図１と図２に示した電界増強構造物の誘電体粒子内で共振モードを励起するための様々な技法を示す概略等角図である。
【図７】本発明の様々な実施形態により図１と図２に示した電界増強構造物の誘電体粒子内で共振モードを励起するための様々な技法を示す概略等角図である。
【図８】本発明の別の実施形態による電界増強構造物の概略上面図である。
【図９】本発明の更に別の実施形態による誘電体粒子の二次元規則配列を含む電界増強構造物の概略上面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による開示された電界増強構造物のいずれかを使用するラマン分光システムの機能ブロック図である。
【図１１】本発明の例１による電界増強構造物の計算電界強度のグレースケール強度コンタープロットである。
【図１２】本発明の例２による電界増強構造物の計算電界強度のグレースケール強度コンタープロットである。
【図１３】本発明の例３による電界増強構造物の計算電界強度のグレースケール強度コンタープロットである。
【図１４】本発明の例４による電界増強構造物の計算電界強度のグレースケール強度コンタープロットである。
【図１５】本発明の例５による電界増強構造物の計算電界強度のグレースケール強度コンタープロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の様々な実施形態は、電界増強構造物、電界増強装置、及び隣り合った誘電体粒子間の電界を増強する方法を対象とする。図１と図２は、本発明の一実施形態による電界増強構造物１００を示す。電界増強構造物１００は、基板１０４に取り付けられた少なくとも２つの隣り合った誘電体粒子１０２及び１０３を有する。誘電体粒子１０２及び１０３はそれぞれ、半径Ｒ、厚さＴ、対応する外周面１０５及び１０６を有する円盤状でよい。例えば、誘電体粒子１０２及び１０３それぞれの半径Ｒと厚さＴは、それぞれ約５０ｎｍ〜約３０００ｎｍと約５０ｎｍ〜約３００ｎｍである。誘電体粒子１０２及び１０３は、Ｘ軸に沿って分散され、それらの間に中間増強領域１０７を画定するように制御された間隔Ｓで互いに離間されている。中間増強領域１０７は、隣り合った誘電体粒子１０２及び１０３の最も近い部分間の間隙である。間隔Ｓは、例えば、零より大きく約５０ｎｍまでの範囲である。
【００１４】
誘電体粒子１０２及び１０３は、周囲の媒体の屈折率より比較的高い屈折率（ｎ1）を有する非金属材料から作成されてもよい。従って、屈折率ｎ1は、基板１０４と周囲空気の屈折率ｎ2より大きい。例えば、誘電体粒子１０２及び１０３は、シリコン（４２５ｎｍでｎ＝５．００９）、ゲルマニウム（６０５ｎｍでｎ＝５．９）、ガリウム砒素（４３０ｎｍでｎ＝５．１０７）、別の半導体材料、二酸化チタン（３１８ｎｍでｎ＝５．３８）、又はマイクロ加工技術若しくはナノ加工技術を使用して処理することができる別の適切な相対的に高い屈折率の材料から作成されてもよい。基板１０４は、例えば、シリカからなるガラス基板や、別の適切な相対的に低い指数の材料でよい。誘電体粒子１０２及び１０３は、例えば、基板１０４上に物理又は化学蒸着法を使用して誘電体層を付着させ、その後で付着された誘電体層から誘電体粒子１０２及び１０３をフォトリソグラフィにより画定することによる幾つかの異なる周知のマイクロ加工技術とナノ加工技術を使用して基板１０４上に形成される。
【００１５】
図２で最もよく分かるように、誘電体粒子１０２及び１０３は、低屈折率基板１０４と周囲空気によって取り囲まれる。従って、電界偏波方向や周波数等の光源（図示せず）からの励起電磁放射（「ＥＭＲ」）特性を適切に選択することによって、誘電体粒子１０２及び１０３内で共振モードが励起することができる。図３は、適切に選択された周波数を有する励起ＥＭＲを使用して、誘電体粒子１０２及び１０３に照射することによって誘電体粒子１０２及び１０３のそれぞれで励起可能な幾つかの異なる共振モードω1−ω12を示すグラフ３００である。例えば、誘電体粒子１０２にほぼω1の周波数を有する励起ＥＭＲを照射することにより、入射ＥＭＲが最低次共振モードの誘電体粒子１０２に結合される。共振周波数は、Ｘ、Ｙ又はＺ電界成分のうちの１つと関連付けられてもよい。例えば、図３に示した共振周波数ω1−ω12は、ＥＭＲの電界のｘ成分が各誘電体粒子１０２及び１０３内の共振モードを励起する周波数でよい。従って、例えば周波数ω1を有する電界のｘ成分を有する入射ＥＭＲは、誘電体粒子１０２及び１０３のそれぞれで最低次の共振モードを励起することができる。電界の他の成分は、誘電体粒子１０２及び１０３の対称性により、共振モードを同じ周波数で励起してもよく異なる周波数で励起してもよい。前述の代表的な寸法と屈折率を有する誘電体粒子の場合、共振周波数は、一般に、テラヘルツ範囲である。
【００１６】
グラフ３００が、単に例示のためであり、グラフと共振周波数の形状が、誘電体粒子１０２及び１０３の形状と屈折率に極めて依存することに注意されたい。更に、誘電体粒子のサイズ、形状及び／又は屈折率を変化させると、共振モードの周波数スペクトルが大きく変化することがある。各誘電体粒子１０２及び１０３の周波数スペクトルは拡張性があり、粒子サイズを例えば１０分の１に小さくすると、共振モードの周波数が対応する１０倍高くなる。従って、誘電体粒子１０２及び１０３のサイズを変化させることによって共振周波数を制御可能に変更することができる。更に、誘電体粒子１０２及び１０３と、基板１０４及び周囲媒体との間の屈折率の差を変化させると、周波数スペクトルも変化する。誘電体粒子１０２及び１０３の屈折率と周囲媒体（即ち、基板１０４と空気）の屈折率の差が大きいほど、共振モードを維持しながら誘電体粒子１０２及び１０３を作成できるサイズが小さくなる。
【００１７】
誘電体粒子１０２及び１０３のそれぞれで励起される場合があるタイプの共振モードは、ウィスパリングギャラリーモードとしても知られる。ウィスパリングギャラリーモードは、所定の屈折率と形状の誘電体粒子では、特定の共振周波数で生じる。図４は、各誘電体粒子１０２及び１０３内のウィスパリングギャラリーモードの伝搬を概略的に示す。図４に示したように、共振周波数のうちの１つで、ＥＭＲは、特定の周波数で誘電体粒子１０２の１つのモードを励起し、方向Ｃ1に周囲方向に伝搬する光線４０２として概略的に示された誘電体粒子１０２の表面１０５での全反射を受ける。ＥＭＲは、また、誘電体粒子１０３の１つのモードを励起し、方向Ｃ2に周囲方向に伝搬する光線４０３として概略的に示された誘電体粒子１０３の表面１０６での全屈折を受ける。ＥＭＲは、粒子のサイズとモードのＱ因子に依存する期間、誘電体粒子１０２及び１０３内に閉じ込められる。それぞれの誘電体粒子１０２及び１０３内の入射ＥＭＲの閉じ込めの程度を定量的に示す線質計数（“Ｑ−因子”）は、約１０6から約１０10でよい。Ｑ因子は、閉じ込められたＥＭＲが、誘電体粒子１０２及び１０３内で周囲方向に伝搬する回数を表す。閉じ込められたＥＭＲは、誘電体粒子１０２及び１０３の対応する表面１０５及び１０６の近くで集束され、ＥＭＲの電界の強度は、外周面１０５及び１０６から中間増強領域１０７内に半径外方の距離と共に減衰し消滅する。
【００１８】
隣り合った誘電体粒子１０２と１０３の間隔Ｓを制御し、誘電体粒子１０２と１０３の共振モードの一方を適切に励起することによって、各誘電体粒子１０２と１０３内で励起された個別の共振モードが相互作用して、誘電体粒子１０２と１０３の間の中間増強領域１０７内の励起ＥＭＲの電界を局所的に増強する。正確な物理的現象は完全には理解されていないが、発明者は、現在、各誘電体粒子１０２及び１０３の共振モードと関連した個別のエバネッセント電界が互いに結合して、中間増強領域１０７内の励起ＥＭＲの電界を局所的に増強すると考えている。誘電体粒子１０２と１０３間の電界の増強は、励起ＥＭＲの電界の約１０〜約３００倍になる場合がある。
【００１９】
誘電体粒子１０２と１０３の間の中間増強領域１０７内の励起ＥＭＲの電界の増強範囲は、間隔Ｓに依存する。電界増強は、中間増強領域１０７内又はその近くで生成される最大電界強度と励起ＥＭＲの電界強度の比率として定義される。図５に示したように、間隔Ｓmaxのとき励起ＥＭＲの電界の増強が最大である。隣接誘電体粒子１０２及び１０３の間隔ＳがＳmaxより小さいときは、増強効果が減少する。隣接誘電体粒子１０２及び１０３の間隔ＳがＳmaxより大きいときも増強効果は減少する。従って、本発明の一実施形態では、間隔Ｓは、励起ＥＭＲの電界の増強を最大にするためにＳmax又はその近くになるように選択される。増強された電界は、中間増強領域１０７内のＹ軸とほぼ平行な軸に沿った任意の場所に関して実質的に一定である。
【００２０】
励起ＥＭＲの電界は、励起ＥＭＲが各誘電体粒子１０２及び１０３の共振モードのいずれかと結合している限り中間増強領域１０７内で増強されるが、中間増強領域１０７内の励起ＥＭＲの電界の増強の程度は、励起ＥＭＲの電界の偏波方向に依存し、また誘電体粒子１０２及び１０３の対称性、励起ＥＭＲの波動ベクトルに依存する。図６と図７は、誘電体粒子１０２及び１０３内で共振モードを励起させる本発明の様々な実施形態を示す。図６に示したように、本発明の一実施形態では、誘電体粒子１０２及び１０３のそれぞれで共振モードのうちの１つを励起するために、偏波方向６０４を有する電界６０２と共振周波数のうちの１つの周波数とを有する励起ＥＭＲ６００が誘電体粒子１０２及び１０３に照射されてもよい。図示したように、電界６０２の偏波方向６０４は、誘電体粒子１０２及び１０３が分散されたＸ軸とほぼ平行であり、波動ベクトルｋは、Ｚ軸とほぼ平行である。図７に示した本発明の別の実施形態では、誘電体粒子１０２及び１０３のそれぞれで共振モードのうちの１つを励起するために、偏波方向７０４を有する電界７０２と共振周波数のうちの１つの周波数とを有する励起ＥＭＲ７００が、誘電体粒子１０２及び１０３に照射されてもよい。図７に示したように、電界７０２の偏波方向７０４は、Ｘ軸とほぼ平行であり、波動ベクトルｋはＹ軸とほぼ平行である。
【００２１】
励起ＥＭＲの電界がＸ軸とほぼ平行な方向で平面偏波されるとき、円盤状誘電体粒子１０２及び１０３では、入射ＥＭＲの波動ベクトルｋがＺ軸とほぼ平行なときに所定の間隔Ｓ（図５）のより大きい電界増強が行われる。これは、誘電体粒子１０２及び１０３のＹ軸及びＺ軸方向の形状の違いによるものである。誘電体粒子１０２と１０３がそれぞれ、Ｘ軸に関して球対称性又は円柱対称性を示すように形成されたとき、Ｙ軸又はＺ軸とほぼ平行な方向に沿って入射する波動ベクトルｋを有する入射ＥＭＲの電界増強は同じである。更に、同じ波動ベクトルｋ方向を有する入射電磁放射の場合、中間増強領域１０７内の電界増強は、励起ＥＭＲの電界の偏波方向が誘電体粒子１０２及び１０３が分散されたＸ軸とほぼ平行なときの方が大きい。
【００２２】
本発明の一定の実施形態では、入射電磁放射の電界増強は、更に、誘電体粒子形状を制御することによって増強されてもよい。図８は、本発明の一実施形態による電界増強構造物８００を示す。電界増強構造物８００は、半径Ｒ1を有する第１の部分８０４と、半径Ｒ1より小さい半径Ｒ2を有し第１の部分８０４から突出する第２の部分８０６とを有する誘電体粒子８０２を有する。電界増強構造物８００は、更に、半径Ｒ1を有する第１の部分８１０と、半径Ｒ1より小さい半径Ｒ2を有し第１の部分８１０から突出する第２の部分８１２とを有する誘電体粒子８０８を有する。Ｒ1は、例えば、Ｒ2の大きさの約１００〜約２００倍である。例えば、誘電体粒子８０２及び８０８ぞれぞれの半径Ｒ1及び半径Ｒ2は、それぞれ約５００ｎｍ〜約３０００ｎｍと約５０ｎｍ〜約３０ｎｍでよい。誘電体粒子８０２及び８０８は、第２の部分８０６と第２の部分８１２が互いに対向する状態で配向されており、誘電体粒子８０２及び８０８は、Ｘ軸に沿って分散され、それらの間に中間増強領域８１４を画定するように制御された間隔Ｓで互いに離間される。誘電体粒子８０２及び８０８は、基板８１６に取り付けられる。誘電体粒子８０２と８０８及び基板８１６は、図１と図２に示された電界増強構造物１００に関連して前述した同じ材料及び方法で作成されてもよい。
【００２３】
半径Ｒ1と比べて相対的に小さい半径Ｒ2から分かるように、誘電体粒子８０２及び８０８それぞれで励起される共振モードの強度は、相対的に小さい第２の部分８０６及び８１２の方が大きい。従って、同じ間隔Ｓの場合で、図１に示した誘電体粒子１０２及び１０３それぞれの半径Ｒが、図８に示した誘電体粒子８０２及び８０８の半径Ｒ1と等しいとき、電界強度構造物８００の中間増強領域８１４に、前述の励起方法のいずれを使用して相対的により増強された電界が生成されることがある。
【００２４】
電界増強構造物１００及び８００に示された誘電体粒子の構成は、単に本発明の幾つかの異なる実施形態を表わす。本発明の他の実施形態では、誘電体粒子の形状は、三角形状でも長方形状でも球状でもよい。例えば、従来の付着処理やエッチング処理等のマイクロ加工又はナノ加工処理を使用して誘電体粒子を形成する代わりに、概略球状の誘電体粒子を、誘電体粒子間の概略制御された間隔で規則的な配列を形成するように基板上に分散させてもよい。更に、隣り合った誘電体粒子（例えば、誘電体粒子１０２と１０３、又は誘電体粒子８０２と８０８）の形状とサイズは、誘電体粒子のそれぞれで共振モードを励起できるという条件で異なってもよい。例えば、同じ周波数の励起ＥＭＲが、誘電体粒子のうちの１つでは低次共振モードを励起し、他の誘電体粒子では高次共振モードを励起してもよい。
【００２５】
電界増強構造物１００及び８００は、２つの隣り合った誘電体粒子を有するように示されているが、本発明の追加の実施形態は、前述の実施形態のいずれかのように誘電体粒子のサイズ、間隔および構造が決定された規則的な２次元配列の誘電体粒子を対象とする。図９は、本発明の別の実施形態による電界増強構造物９００を示す。電界増強構造物９００は、誘電体粒子で構成された二次元規則配列９０４を有する低屈折率基板９０２を含む。例えば、誘電体粒子９０６は、誘電体粒子９０７から制御された間隔Ｓ1だけ離間され、誘電体粒子９０６は、誘電体粒子９０８からの制御された間隔Ｓ2だけ離間される。間隔Ｓ1及びＳ2は互いに等しくてもよく、間隔Ｓ1とＳ2は異なってもよい。本発明の幾つかの実施形態では、二次元規則配列９０４の誘電体粒子はそれぞれ、図８に示した電界増強構造物８００と類似の隣り合った誘電体粒子の対応する突出部と対向する複数の突出部を有するように構成されてもよい。
【００２６】
前述のように、励起電磁放射が配列９０４に放射され、隣り合った誘電体粒子間の中間増強領域９１０及び９１２内又はその近くに電界が増強されてもよい。例えば、励起電磁放射の電界偏波方向は、方向９０９又は方向９１３とほぼ平行でもよく、励起電磁放射の波動ベクトルは、電界偏波方向に対してほぼ垂直でもよい。
【００２７】
図１〜図９で示し説明した電界増強構造物の前述の実施形態はいずれも、幾つかの異なる電界増強装置に使用することができる。例えば、図１０は、本発明の一実施形態によるラマン分光システム１０００の機能ブロック図を示す。ラマン分光システム１０００は、前述のように、入射電界を増強するように構成された幾つかの規則的間隔の誘電体粒子１００４を支持する基板１００３を有する電界増強構造物１００２を含む。例えば、図１０に示した電界増強構造物１００２は、図９に示した電界増強構造物９００と同じように構成される。ラマン分光システム１０００は、更に、励起ＥＭＲ源１００６と検出器１００８とを含む。ラマン分光システム１０００は、また、励起ＥＭＲ源１００６と電界増強構造物１００２の間に配置された様々な光学構成要素１０１０と、電界増強構造物１００２と検出器１００８の間に配置された様々な光学構成要素１０１２とを含んでもよい。
【００２８】
励起ＥＭＲ源１００６は、所望の波長のＥＭＲを放射するのに適した任意の放射源を含んでもよく、調整可能な波長の放射を放出できてもよい。励起ＥＭＲ源１００６として、例えば、市販の半導体レーザ、ヘリウムネオンレーザ、炭酸ガスレーザ、発光ダイオード、白熱灯、及び他の多くの既知の放射線放出源を使用することができる。励起ＥＭＲ源１００６から放出されたＥＭＲは、ラマン分光法を使用して検体を分析し且つ電界増強構造物１０００の誘電体粒子１００４の少なくとも１つの共振モードを励起するのに適した任意の波長でよい。例えば、励起ＥＭＲ源１００６は、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの波長範囲を有するＥＭＲを放出する。励起ＥＭＲ源１００６から放出される励起ＥＭＲは、放射源１００６から電界増強構造物１００２に直接送られてもよい。代替として、励起ＥＭＲが電界増強構造物１００２に当たる前に、光学構成要素１０１０によって、励起放射の平行化、フィルタリング、及びその後の集束が行われてもよい。光学構成要素１０１０は、更に、励起ＥＭＲの偏波方向を選択的に制御するための１つ又は複数の偏光板を含んでもよい。
【００２９】
電界増強構造物１００２は、検体のラマン信号を増強することができる。換言すると、励起ＥＭＲ源１００６から励起ＥＭＲを電界増強構造物１００２の誘電体粒子１００４に照射すると、前述のように、隣り合った誘電体粒子１００４間に増強電界が生成され、この増強電界により、誘電体粒子１００４の近く又は隣りに位置決めされた検体分子によって非弾性的に散乱される光子の数が増える。
【００３０】
ラマン散乱光子は、光学構成要素１０１２によって平行化されてもよく、フィルタリングされてもよく、集束されてもよい。例えば、検出器１００８の構造の一部として、又は励起放射の波長をフィルタリングするように構成された個別のユニットとして、１つ又は複数のフィルタを使用してもよく、これにより、検出器１００８は、ラマン散乱光子だけを受け取ることができる。検出器１００８は、ラマン散乱光子を受け取り検出し、モノクロメーター（又はラマン散乱光子の波長を決定するのに適した任意の他の装置）と、例えばラマン散乱光子の強度を決定する光電子増倍管等の装置とを含んでもよい。理想的には、ラマン散乱光子は、等方的に散乱され、電界増強構造物１００２に対する全ての方向に散乱される。従って、電界増強構造物１００２に対する検出器１００２の位置は、特に重要ではない。しかしながら、検出器１００８は、検出器１００８に入射することがある入射励起放射の強度を最小にするために、例えば入射励起放射の方向に対して９０度の角度に位置決めされてもよい。
【００３１】
ラマン分光システム１０００を使用してラマン分光を実行するために、ユーザは、電界増強構造物１００２の誘電体粒子１００４の隣りに単数又は複数の検体分子を配置してもよい。検体と電界増強構造物１００２には、励起ＥＭＲ源１００６から励起ＥＭＲが照射される。次に、検体によって散乱したラマン散乱光子が、検出器１００８によって検出される。
【００３２】
ラマン分光法は、開示した電界増強構造物が使用される１つの用途に過ぎない。他の用途には、粒子検知器や他の検出用途がある。本発明の一定の実施形態では、ラマン分光システム１０００は、検出器９０８を使用して、粒子が１つ又は複数の誘電体粒子１００４と接触する結果として生じる誘電体粒子１００４の共振モードのシフトを検出することにより、電界増強構造物１００２上にある粒子を検出するように再構成されてもよい。例えば、電界増強構造物１００２の透過スペクトル又は反射スペクトルから共振モードのシフトを検出することによって、誘電体粒子１００４上にある１つ又は複数の粒子の存在を検出することができる。
【００３３】
本発明の以下の例１〜例５で、２つの隣り合った誘電体粒子を含む様々な電界増強構造物とそれらの計算電界強度について説明する。例１〜例５は、前述した本発明の様々な実施形態と関連して更なる詳細を提供する。例１〜例５において、電界強度は、周知の有限差分時間領域（「ＦＤＴＤ」）法を使用して計算された。図１１〜図１５の強度コンタープロットは、最大電界強度をゼロデシベルに正規化したグレースケールで示された。図１１〜図１５には電界の絶対値の対数が示され、明るい領域ほど強い計算電界を示す。隣り合ったシリコン微粒子間の領域の計算に使用される空間格子が、他の領域に使用される空間格子よりかなり細かいので、シリコン円盤は、真の円形から僅かに歪められて示される。
【００３４】
［実施例１］
図１１は、２０００ｎｍの直径と２００ｎｍの厚さをそれぞれ有する２つの隣り合ったシリコン円盤を示す。２つの隣り合ったシリコン円盤間の間隔は１０ｎｍである。シリコン円盤は、シリコン円盤の屈折率より低い屈折率を有する空気によって取り囲まれている。シリコン円盤には、１２２．９ＴＨｚの周波数を有する励起ＥＭＲが照射され、この周波数は、ほぼ各シリコン円盤の共振周波数である。励起ＥＭＲの波動ベクトルは、図１１に示したＺ軸とほぼ平行である。励起ＥＭＲの電界の偏波方向は、図１１に示したＸ軸とほぼ平行である。図１１に、各シリコン円盤内に閉じ込められた共振モードの計算強度と、隣り合ったシリコン円盤間の電界の計算強度を示す。計算されたように、最大電界強度は、シリコン円盤の間にあり、励起ＥＭＲの電界の強度の約５８．６倍である。
【００３５】
［実施例２］
図１２は、それぞれ２０００ｎｍの直径と２００ｎｍの厚さを有する２つの隣り合ったシリコン円盤を示す。２つの隣り合ったシリコン円盤間の間隔は２０ｎｍである。シリコン円盤は、シリコン円盤の屈折率より低い屈折率を有する空気によって取り囲まれる。シリコン円盤には、各シリコン円盤の共振周波数又はそれに近い１２３．６ＴＨｚの周波数を有する励起ＥＭＲが照射される。励起ＥＭＲの波動ベクトルは、図１２に示したＺ軸とほぼ平行である。励起ＥＭＲの電界の偏波方向は、図１２に示したＸ軸とほぼ平行である。図１２に、各シリコン円盤に閉じ込められた共振モードの計算強度と隣り合ったシリコン円盤間の電界の計算強度を示す。計算したように、最大電界強度は、シリコン円盤間にあり、励起ＥＭＲの電界の強度の約４６．８倍である。
【００３６】
［実施例３］
図１３は、２０００ｎｍの直径と２００ｎｍの厚さをそれぞれ有する２つの隣り合ったシリコン円盤を示す。２つの隣り合ったシリコン円盤間の間隔は５ｎｍである。シリコン円盤は、シリコン円盤の屈折率より低い屈折率を有する空気で取り囲まれる。シリコン円盤には、各シリコン円盤の共振周波数又はそれに近い１２１．８５２ＴＨｚの周波数を有する励起ＥＭＲが照射される。励起ＥＭＲの波動ベクトルは、図１３に示したＺ軸とほぼ平行である。励起ＥＭＲの電界の偏波方向は、図１３に示したＸ軸とほぼ平行である。図１３に、各シリコン円盤内に閉じ込められた共振モードの計算強度と隣り合ったシリコン円盤間の電界の計算強度を示す。計算されたように、最大電界強度は、シリコン円盤間にあり、励起ＥＭＲの電界の強度の約８１．８倍である。
【００３７】
［実施例４］
図１４は、２０００ｎｍの直径と２００ｎｍの厚さを有する２つの隣り合ったシリコン円盤を示す。２つの隣り合ったシリコン円盤間の間隔は２０ｎｍである。シリコン円盤は、シリコン円盤の屈折率より低い屈折率を有する空気で取り囲まれる。シリコン円盤は、各シリコン円盤の共振周波数又はそれに近い１２３．６ＴＨｚの周波数を有する励起ＥＭＲが照射される。励起ＥＭＲの波動ベクトルは、図１４に示されたＸ軸とＺ軸に対して垂直なＹ軸とほぼ平行である。励起ＥＭＲの電界の偏波方向は、図１２に示したＸ軸とほぼ平行である。図１４に、各シリコン円盤内に閉じ込められた共振モードの計算強度と隣り合ったシリコン円盤間の電界の計算強度を示す。計算されたように、最大電界強度は、シリコン円盤間にあり、励起ＥＭＲの電界の強度の約１８倍である。従って、例２と例４は、励起ＥＭＲの伝搬方向がシリコン円盤間の電界増強にどのような影響を及ぼす可能性があるかを示す。電界偏波の方向と、円盤の組成、形状及び間隔が同じであるとき、シリコン円盤間の領域内の電界増強は、励起ＥＭＲの波動ベクトルがＹ軸とほぼ平行なときには、波動ベクトルがＺ軸とほぼ平行なときの約２．６分の１である。
【００３８】
［実施例５］
図１５は、２つの隣り合ったシリコン円盤構造物を示し、各シリコン円盤構造物は、２０００ｎｍの直径と２００ｎｍの厚さを有する相対的に大きい直径のシリコン円盤を有する。また、各シリコン円盤構造物は、大きい方のシリコン円盤から突出する１２．５ｎｍの直径と２００ｎｍの厚さを有する相対的に小さいシリコン先端を有する。図１５に示した誘電体粒子構成は、図８に示した実施形態と同じである。２つの隣り合った小さいシリコン円盤間の間隔は３０ｎｍである。シリコン円盤は、シリコン円盤の屈折率より低い屈折率を有する空気で取り囲まれる。シリコン円盤には、各シリコン円盤構造の共振周波数又はそれに近い１２１．１９７ＴＨｚの周波数を有する励起ＥＭＲが照射される。励起ＥＭＲの波動ベクトルは、図１５に示したＺ軸とほぼ平行である。励起ＥＭＲの電界の偏波方向は、図１５に示したＸ軸とほぼ平行である。各シリコン円盤構造物内に閉じ込められた共振モードの計算強度と、隣り合った相対的に小さいシリコン先端間の電界の計算強度を、図１５に示す。計算されたように、最大電界強度は、シリコン円盤間にあり、励起ＥＭＲの電界の強度の約１１３倍である。
【００３９】
本発明を特定の実施形態の観点から説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明の趣旨の範囲内の修正は当業者に明らかであろう。例えば、隣り合った誘電体粒子間の増強電界を使用して量子ドット内の特定の電子状態を励起してもよい。従って、本発明の別の実施形態では、図１と図２に示された２つの誘電体粒子１０２及び１０３の上に１つ又は複数の量子ドットが形成されてもよく、その結果、中間増強領域１０７内又はその近くで生成された増強電界が、１つ又は複数の量子ドット内の特定の電子状態を励起する。
【００４０】
以上の説明は、説明のためのものであり、本発明の完全な理解を提供するために特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために特定の詳細が必要でないことは当業者に明らかであろう。本発明の特定の実施形態に関する以上の説明は、例示と説明のために提示されている。これらの説明は、網羅的なものでもなく本発明を開示した厳密な形態に限定するものでもない。以上の教示を鑑みて多数の修正と変更が可能である。実施形態は、本発明の原理とその実際の応用例を最もよく説明するために示され説明され、これにより当業者は、本発明と様々な実施形態を、意図された特定の用途に適した様々な改良により最もよく利用することができる。本発明の範囲は、特許請求の範囲とその均等物によって定義される。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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