(57)【要約】  【課題】  透明媒質より誘電率が高い誘電体試料の誘電率を測定することが可能な表面プラズモン共鳴装置を提供する。  【解決手段】  透明媒質層１２と導電層１１との界面に周期構造１３を有する表面プラズモン共鳴装置において、透明媒質層１２を透過して導電層１１に入射させる可視光の波長をλ（ｎｍ）としたとき、周期構造１３の周期を（λ／６３３）×１００ｎｍ以上（λ／６３３）×５００ｎｍ以下、振幅を（λ／６３３）×５ｎｍ以上（λ／６３３）×２０ｎｍ以下とする。例えば、λ＝６３３ｎｍのとき、周期構造１３の周期を１００〜５００ｎｍ、振幅を５〜２０ｎｍとする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明媒質層と導電層との界面に周期構造を有し、
上記透明媒質層を透過して上記導電層に入射させる可視光の波長をλ（ｎｍ）としたとき、上記周期構造の周期が（λ／６３３）×１００ｎｍ以上（λ／６３３）×５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴装置。
【請求項２】
上記周期構造の周期が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項３】
上記周期構造の振幅が（λ／６３３）×５ｎｍ以上（λ／６３３）×２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項４】
上記周期構造の振幅が（λ／６３３）×５ｎｍ以上（λ／６３３）×１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項５】
上記周期構造の振幅が（λ／６３３）×１０ｎｍ以上（λ／６３３）×２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項６】
上記周期構造の振幅が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項７】
上記周期構造の振幅が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項８】
上記導電層が金属からなることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項９】
導電材料からなる複数の微小構造が透明媒質中に埋設されて上記周期構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項１０】
上記導電材料が金属であることを特徴とする請求項９記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項１１】
導電材料からなる膜に複数の細孔が設けられ、これらの細孔の内部に透明媒質が埋め込まれて上記周期構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【請求項１２】
上記表面プラズモン共鳴装置は上記透明媒質層より誘電率が高い誘電体試料を測定するためのものであることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、表面プラズモン共鳴装置に関し、特に、各種試料の誘電率の測定に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料表面の誘電率を測定する方法として、表面プラズモン共鳴法が知られている（例えば、特許文献１）。この方法は、金属等の導電材料中に存在する自由電子の集団共鳴であるプラズモンのうち、その導電材料表面に局在するモードであるところの、表面プラズモンを利用するもので、測定原理は次のとおりである。誘電体と金属等の導電材料との界面において、表面プラズモンは誘電体内部の電磁波と結合する。誘電体中の電磁波のモードはその誘電率変化の影響を受けて変化し、一方、金属等の導電材料中のプラズモンの伝播はその周波数に依存して変化する。したがって、誘電体試料の誘電率変化を、表面プラズモンモードの周波数変化として読み出すことが可能である。
【特許文献１】特開平１１−２７１２１５号公報
【０００３】
しかしながら、誘電体と金属等の導電材料との界面が平面である場合には、誘電体中を伝播する電磁波は導電材料中のプラズモンと結合することはできない。このことを導電材料として金属を例にとって以下に説明する。図１２に金属／誘電体界面の模式図、図１３にこの系における表面プラズモンの分散関係を示す。図１３において、横軸ｋx はプラズモンの波数の界面に平行な成分、縦軸ωはプラズモンの周波数であり、実線は表面プラズモンの分散関係であり、以下の式で与えられる。
【数１】
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ここに、εd は誘電体の誘電率、ε（ω）は金属の誘電率である。ε（ω）は以下のように表される。
【０００４】
【数２】
2005257458.tif 000004
ここに、ε∞は定数、ωp はバルク金属のプラズマ周波数である。波数ｋx が大きいところで表面プラズモンの周波数は飽和して図１３中のω＝ωspで表される点線に漸近し、
【数３】
2005257458.tif 000005
である。図１３中の破線は誘電体中の電磁波のうち、進行方向が界面に平行なものの分散曲線である。これは表面プラズモンの分散曲線に原点で接する直線であり、次式で与えられる。
【数４】
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【０００５】
一般に、誘電体中の電磁波の分散関係は次式で与えられる。
【数５】
2005257458.tif 000007
ここに、ｋz はプラズモンの波数の界面に垂直な成分である。誘電体中の電磁波で、その分散曲線が図１３の破線より上側の領域に存在するものに対しては、ｋz は実数となり、このとき電磁波は図１２のｚ方向に伝播する。一方、分散曲線が図１３の破線より下側の領域に存在するものに対しては、ｋz は純虚数となり、このとき電磁波は図１２のｚ方向に減衰する、いわゆるエバネッセント光となる。界面における電磁波の接続条件を与えると界面に平行な波数ｋx は保存されるため、表面プラズモンと結合する誘電体中の電磁波は、分散関係が図１３の破線より下側の領域に存在するもの、すなわちエバネッセント光に限られる。
【０００６】
以上より、表面プラズモンが結合することができるのは金属表面で減衰するエバネッセント光のみである。したがって、表面プラズモンを光学的手段により励起するには工夫が必要となる。表面プラズモンを励起するためのひとつの方法は、金属を薄膜にして、誘電体試料と接する面の反対側から光を入射する方法である。このため、表面プラズモンを励起するために通常、誘電体試料／金属／透明媒質の３層構造が用いられる。図１４にその模式図を示す。通常の測定では可視光を用いるため、透明媒質としては、例えばガラス、ないしプラスチックがよく用いられている。金属層としては、その一面側から入射する可視光が反対の面に到達することができる程度に十分に小さい厚さ（例えば５０ｎｍ程度）のものが用いられる。
【０００７】
なお、特許文献２には、電磁放射ビームを透過し、この電磁放射ビームを内部反射させる表面を備えるブロックより構成され、この表面上に周期的構造の層が配置され、この周期的構造層の上に導電材料層が設けられた、可動性部品を使用しない表面プラズモン共振測定器が提案されている。しかしながら、この特許文献２では、周期的構造層の詳細は明らかにされていない。
【特許文献２】特開平６−５０８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この方法では、透明媒質より誘電率が高い試料に対しては、その誘電率を測定することができない。そのことを以下で説明する。図１５および図１６に、図１４の系で現れる表面プラズモンの分散関係を示す。この図１４の系に存在する金属／誘電体試料、および金属／透明媒質の２種類の界面に対応して、２種類の表面プラズモンが存在し、各々の界面に局在している。図１５および図１６において、波数ｋx が大きいところで２つの表面プラズモンの周波数はともに飽和し、図中の各点線（ω＝ωspd 、ω＝ωspg ）に漸近する。その値は各々
【数６】
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である。ここに、εg は透明媒質の誘電率である。図１５および図１６の破線は、金属／透明媒質界面における表面プラズモンの分散曲線の、原点における接線である。上述の説明と全く同様に、透明媒質中を伝播する電磁波の分散曲線はこの破線より上側の領域に存在し、一方、透明媒質中のエバネッセント光は、この破線より下側の領域に分散曲線を有する。
【０００９】
図１５は誘電体の誘電率εd が透明媒質の誘電率εg より小さい場合である。この場合、
【数７】
2005257458.tif 000009
となり、金属／誘電体試料界面における表面プラズモンの分散曲線の一部が、破線よりも上側の領域に存在する。このため、透明媒質中を伝播する電磁波は金属／誘電体試料界面における表面プラズモンと結合することが可能である。その結果、透明媒質層に適当な周波数の光を入射することで、試料の誘電率を測定することができる。
【００１０】
一方、図１６は、誘電体の誘電率εd が透明媒質の誘電率εg より大きい場合である。この場合、
【数８】
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となり、金属／誘電体試料界面における表面プラズモンの分散曲線は、すべて破線よりも下側の領域に存在する。したがって、透明媒質中を伝播する電磁波は金属／誘電体試料界面における表面プラズモンと結合することができない。このため、透明媒質層に入射した光を用いては、試料の誘電率を測定することができないという問題が生じていた。
【００１１】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、透明媒質層より誘電率が高い誘電体試料の誘電率を測定することが可能な表面プラズモン共鳴装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、この発明は、
透明媒質層と導電層との界面に周期構造を有し、
透明媒質層を透過して導電層に入射させる可視光の波長をλ（ｎｍ）としたとき、周期構造の周期が（λ／６３３）×１００ｎｍ以上（λ／６３３）×５００ｎｍ以下である
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴装置である。
【００１３】
例えば、λ＝６３３ｎｍの場合、周期構造の周期は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、周期構造の振幅については、好適には（λ／６３３）×５ｎｍ以上（λ／６３３）×２０ｎｍ以下である。特に、周期構造の振幅は、好適には、（λ／６３３）×５ｎｍ以上（λ／６３３）×１０ｎｍ以下あるいは（λ／６３３）×１０ｎｍ以上（λ／６３３）×２０ｎｍ以下である。例えば、λ＝６３３ｎｍの場合、周期構造の振幅は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下あるいは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００１４】
導電層の材料としては、表面プラズモンが発生するのに十分な濃度の自由電子を有する限り種々の材料を用いることができるが、具体的には、金、銀等の金属のほか、半金属、半導体等を用いることができる。周期構造は、例えば、金属等の導電材料からなる複数の微小構造が透明媒質中に埋設されることで形成され、あるいは、導電材料からなる膜に複数の細孔が設けられ、これらの細孔の内部に透明媒質が埋め込まれることで形成される。
【００１５】
上述のように構成されたこの発明においては、透明媒質層と導電層との界面に、使用する可視光の波長λに応じて（λ／６３３）×１００ｎｍ以上（λ／６３３）×５００ｎｍ以下の周期の周期構造を有することにより、誘電率を測定すべき誘電体試料の誘電率が透明媒質層より高くても、透明媒質層中を伝播する電磁波は、導電層／誘電体試料界面における表面プラズモンと強く結合する。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、誘電体試料の誘電率が透明媒質層より高くても、透明媒質層中を伝播する電磁波は、導電層／誘電体試料界面における表面プラズモンと強く結合することにより、透明媒質層より誘電率が高い誘電体試料の誘電率を測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの一実施形態による表面プラズモン共鳴装置の要部を示す。
図１に示すように、この表面プラズモン共鳴装置においては、金属層１１と光伝播層である透明媒質層１２との界面に周期構造１３が設けられている。金属層１１としては、その一面側から入射する可視光が反対の面に到達することができる程度に十分に小さい厚さ（例えば、金属層１１として金からなるものを用いる場合には５０ｎｍ程度）のものが用いられる。
【００１８】
周期構造１３は、金属層１１／誘電体（測定対象）界面の表面プラズモンと、透明媒質層１２中を伝播する電磁波とを結合させるという作用を行うものである。すなわち、一般に、界面に周期構造が存在するとき、２つの電磁波は、それらの波数が周期構造の逆格子ベクトルの整数倍だけ異なる場合、等価となる。したがって、図２に示すように、表面プラズモンの分散曲線を周期構造１３の逆格子ベクトルの整数倍だけ平行移動したときに、破線の上側の領域に入ることができれば、金属層１１／誘電体界面における表面プラズモンは透明媒質層１２中を伝播する電磁波と結合する。ここに逆格子ベクトルの大きさは、周期構造１３の周期Ｄを用いて次式で与えられる。
【数９】
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【００１９】
表面プラズモン共鳴に通常用いられる金属、例えば金や銀のプラズマ周波数は１０14〜１０15Ｈｚのオーダーであり、対応する波長はμｍ〜サブμｍ（例えば１〜０．１μｍ）である。したがって、最も広くは、周期構造１３の周期もこのオーダーとするが、より望ましくは、以下のように選ぶ。
【００２０】
図３〜図９はこの表面プラズモン共鳴装置において用いられる周期構造１３を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す。図３はこのシミュレーションで用いたモデルである。ここでは、計算の都合上、周期構造を有する半無限の金（Ａｕ）表面での伝播光とエバネッセント光との結合に関するデータを示すが、本質を損なうものではない。周期構造の周期をｄ、振幅をｈと表す。入射光としてはＨｅ−Ｎｅレーザーによる波長λ＝６３３ｎｍのものを用いる。複素屈折率をｎ−ｉｋと表したとき、λ＝６３３ｎｍに対してＡｕについてはｎ＝０．１７３、ｋ＝３．４２、空気についてはｎ＝１．０、ｋ＝０．０である。光の入射角をθとする。
【００２１】
図４はｈを０ｎｍから１０ｎｍまで１ｎｍ刻みで変化させたときの入射角θに対する反射光量（任意単位）の変化を示す。ただし、ｄ＝１００ｎｍとした。図４より、ｈ＝５〜１０ｎｍでは、θがほぼ８０度から９０度の範囲で急峻な光量の落ち込みが見られ、これはこの範囲で表面プラズモンとエバネッセント光との結合が強く生じていることを示す。
【００２２】
図５はｈを０ｎｍから１０ｎｍまで１ｎｍ刻みで変化させたときの入射角θに対するエバネッセント場の強さ（任意単位）の変化を示す。ただし、ｄ＝１００ｎｍとした。図５より、ｈ＝５〜１０ｎｍでは、エバネッセント場が増強されていることが分かる。
【００２３】
図６はｈを０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変化させたときの入射角θに対する反射光の振幅（任意単位）の変化を示し、図６に対応して、ｈ＝５〜１０ｎｍのときに急峻な振幅の落ち込みが見られることが分かる。
【００２４】
図７はｈを０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変化させたときの入射角θに対するエバネッセント場の振幅（任意単位）の変化を示し、図７に対応して、ｈ＝５〜１０ｎｍのときにエバネッセント場が増強されていることが分かる。
【００２５】
図８はｈを０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変化させたときの入射角θに対する反射光量（任意単位）の変化を示す。ただし、ｄ＝５００ｎｍとした。図８より、この場合は、ｈ＝１０〜２０ｎｍのときに、θがほぼ７０度から８０度の範囲で急峻な光量の落ち込みが見られ、これはこの範囲で表面プラズモンとエバネッセント光との結合が強く生じていることを示す。
【００２６】
図９はｈを０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変化させたときの入射角θに対するエバネッセント場の強さ（任意単位）の変化を示す。ただし、ｄ＝５００ｎｍとした。図９より、ｈ＝１０〜２０ｎｍでは、エバネッセント場が増強されていることが分かる。
【００２７】
以上の結果から考えると、ｄ＝１００〜５００ｎｍ、ｈ＝５〜２０ｎｍのときに、表面プラズモンとエバネッセント光との結合が強く生じると言える。これはλ＝６３３ｎｍの場合についての結果であるが、可視光（例えば、波長３６０〜８３０ｎｍ）の範囲では、波長を新たにλと書くと、一般にｄ＝（λ／６３３）×１００〜（λ／６３３）×５００ｎｍ、ｈ＝（λ／６３３）×５〜（λ／６３３）×２０ｎｍのときに、表面プラズモンとエバネッセント光との結合が強く生じると考えられる。
【００２８】
金属層１１および透明媒質層１２の形状は種々の形状とすることができ、例えば金属層１１を円筒形状とし、その外側に透明媒質層１２を設けてもよい。透明媒質層１２として公知の表面プラズモン共鳴装置と同様に三角プリズムを用いることもできる。
次に、この発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１０は実施例１による表面プラズモン共鳴装置を示す。図１０に示すように、この表面プラズモン共鳴装置においては、透明媒質層１２としてガラス基板が用いられ、その上に金からなる微粒子や微小円柱等の微小構造１４が、例えばガラスあるいはガラスと誘電率の等しい物質で構成される透明媒質層１５中に埋設された形で周期的に配置され、これによって周期構造１３が形成されている。これらの微小構造１４は、例えば、マイクロパターニング、または、相分離を用いたテンプレート（例えば、ポリスチレンとポリイソプレンとのブロック共重合体を基板上に展開して海島型のミクロ相分離構造を形成し、次いでそのポリイソプレンをオゾン酸化によって分解して除去してナノ細孔を形成したナノテンプレート）を用いて形成することができる。透明媒質層１５上に金属層１１として金薄膜が形成されている。この金薄膜は蒸着やスパッタリング等により容易に形成することができる。
なお、透明媒質層１２を構成する物質はガラスに限られず、可視光領域で透明な物質であれば、プラスチック等の他の物質でもよい。また、微小構造１４を構成する物質も金に限られず、銀、白金等他の金属等であってもよい。
【実施例２】
【００３０】
図１１は実施例２による表面プラズモン共鳴装置を示す。図１１に示すように、この表面プラズモン共鳴装置においては、透明媒質層１２としてガラス基板が用いられ、その上に金薄膜１６が形成されている。そして、この金薄膜１６に細孔１７が周期的配置で形成され、その内部にガラスないしガラスと誘電率の等しい透明媒質層１８が充填され、これによって周期構造１３が形成されている。細孔１７は金薄膜１６に電子ビーム等を照射する等することにより容易に形成することができる。金薄膜１６上に金属層１１として金薄膜が形成されている。この金薄膜は蒸着やスパッタリング等により容易に形成することができる。
なお、透明媒質層１２を構成する物質はガラスに限られず、可視光領域で透明な物質であれば、プラスチック等の他の物質でもよい。また、微小構造１４を構成する物質も金に限られず、銀、白金等他の金属等であってもよい。
【００３１】
以上、この発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構造、材料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、材料、プロセスなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置の要部を示す断面図である。
【図２】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における表面プラズモンの分散曲線を示す略線図である。
【図３】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションで用いたモデルを示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図５】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図６】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図７】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図８】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図９】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置における周期構造を評価するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１０】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置の一実施例を示す略線図である。
【図１１】この発明の一実施形態による表面プラズモン共鳴装置の他の実施例を示す略線図である。
【図１２】従来の表面プラズモン共鳴装置の要部を示す断面図である。
【図１３】従来の表面プラズモン共鳴装置における表面プラズモンの分散曲線を示す略線図である。
【図１４】他の従来の表面プラズモン共鳴装置の要部を示す断面図である。
【図１５】他の従来の表面プラズモン共鳴装置における表面プラズモンの分散曲線を示す略線図である。
【図１６】他の従来の表面プラズモン共鳴装置における表面プラズモンの分散曲線を示す略線図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１…金属層、１２…透明媒質層、１３…周期構造、１４…微小構造、１５…透明媒質層、１６…金薄膜、１７…細孔、１８…透明媒質層
【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】
2005257458.tif 000023
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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