(57)【要約】      （修正有）【課題】単位格子をマトリクス状に配列したメタマテリアルを構成するに際し、単位格子を更に微小化することなく、共鳴波長を短波長化するメタマテリアルを提供する。【解決手段】単位格子が平面上に２次元的に配列されて積層されたメタマテリアルであって、単位格子は、金属十字層と誘電体層とで構成され、金属十字層は、平面上における第１軸に沿った第１の柱部と、第１軸と同一平面上にあり第１軸と交差する第２軸に沿った第２の柱部とを有し、これらによる交差領域と非交差領域を有する十字構造を備え、誘電体層は、第１の誘電体部と、これと同一平面上のこれよりも小さい屈折率の第２の誘電体部とで形成され、第１の誘電体部は、交差領域の少なくとも一部を含む単位格子を構成する金属十字層の上層側或は下層側に配置され、第２の誘電体部は、非交差領域の少なくとも一部を含む単位格子を構成する金属十字層の上層側或は下層側に配置されている。【選択図】図１
2012151523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位格子が平面上に２次元的に配列され、これらが積層されたメタマテリアルであって、
前記単位格子は、金属十字層と誘電体層とで構成され、
前記金属十字層は、前記平面上における第１軸に沿った第１の柱部と、該第１軸と同一平面上にあり該第１軸と交差する第２軸に沿った第２の柱部とを有し、前記第１の柱部と前記第２の柱部とが交差する交差領域と交差しない非交差領域とによる十字構造を備え、
前記誘電体層は、第１の誘電体部と、該第１の誘電体部と同一平面上にあって該第１の誘電体部よりも小さい屈折率を有する第２の誘電体部とで形成され、
前記第１の誘電体部は、前記交差領域の少なくとも一部を含む前記単位格子を構成する金属十字層の上層側あるいは下層側に配置され、
前記第２の誘電体部は、前記非交差領域の少なくとも一部を含む前記単位格子を構成する金属十字層の上層側あるいは下層側に配置されていることを特徴とするメタマテリアル。
【請求項２】
前記第１の誘電体部は、前記第１軸に沿って柱部として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル。
【請求項３】
前記第１の誘電体部は、前記単位格子を構成する金属十字層における前記交差領域より小さい領域の上層側あるいは下層側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル。
【請求項４】
前記第２の誘電体部は、空気によって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を含む電磁場において負などの特異な屈折率をもつメタマテリアルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属・誘電体・磁性体などを人工的に波長以下の構造で形成し、媒質の誘電率や透磁率を人工的に変化させる材料であるメタマテリアルが提案されている。
このメタマテリアルを用いて、例えば、誘電率と透磁率を共に負の値に構成すれば、負の屈折率が得られる。
負の屈折率を用いて、回折限界を超えた結像（完全結像）など新たな光学現象を得ることができる。
また、誘電率と透磁率を独立して制御することで、インピーダンスを任意に制御できるため、完全反射や反射率を低減させた構造などが得られる。
この他にも、誘電率と透磁率を制御し、自然界にない新たな光学特性をもつ応用が提案されている。
この誘電率と透磁率を人工的に制御する構造として、非特許文献１では微小な共振器をもった単位格子をマトリクス状に配列した構造が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒ，９５，１３７４０４（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に記載の構造を、近赤外・可視領域などの波長が短い領域に適用しようとすれば、磁場または電場の共鳴波長を短波長化させる必要がある。
共鳴波長を短波長化させるためには単純に単位格子（微小な共振器）をさらに微小化すればよいが、近赤外・可視領域では単位格子が１００ｎｍ程度以下の構造となり作製が非常に困難となる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、微小な共振器を有する単位格子をマトリクス状に配列した構造のメタマテリアルを構成するに際し、単位格子を更に微小化することなく、共鳴波長を短波長化することが可能となるメタマテリアルの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のメタマテリアルは、単位格子が平面上に２次元的に配列され、これらが積層されたメタマテリアルであって、
前記単位格子は、金属十字層と誘電体層とで構成され、
前記金属十字層は、前記平面上における第１軸に沿った第１の柱部と、該第１軸と同一平面上にあり該第１軸と交差する第２軸に沿った第２の柱部とを有し、前記第１の柱部と前記第２の柱部とが交差する交差領域と交差しない非交差領域とによる十字構造を備え、
前記誘電体層は、第１の誘電体部と、該第１の誘電体部と同一平面上にあって該第１の誘電体部よりも小さい屈折率を有する第２の誘電体部とで形成され、
前記第１の誘電体部は、前記交差領域の少なくとも一部を含む前記単位格子を構成する金属十字層の上層側あるいは下層側に配置され、
前記第２の誘電体部は、前記非交差領域の少なくとも一部を含む前記単位格子を構成する金属十字層の上層側あるいは下層側に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、微小な共振器を有する単位格子をマトリクス状に配列した構造のメタマテリアルを構成するに際し、単位格子を更に微小化することなく、共鳴波長を短波長化することが可能となるメタマテリアルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１におけるメタマテリアルの構成例について説明する模式図。
【図２】本発明の実施例１における単位格子の構成について説明する図。
【図３】本発明の実施例１におけるメタマテリアル中にある磁気共振器の共鳴現象を用いて、透磁率が変化することを説明する図。
【図４】本発明の実施例１におけるメタマテリアルが特定の波長（周波数）で共鳴し、透磁率（屈折率）が変化することを説明するための透磁率と波長の関係を示す図。
【図５】本発明の実施例１における数値実施例の入射光の波長に対するメタマテリアルの屈折率を示す図。
【図６】従来例における構造の例として、誘電体層が金属十字層と同じ形状となった単位格子を用いた場合のメタマテリアルの屈折率を示す図。
【図７】本発明の実施例１におけるメタマテリアルの製造方法を説明する図。
【図８】本発明の実施例２におけるメタマテリアルの構成例について説明する模式図。
【図９】本発明の実施例２における単位格子の構成について説明する図。
【図１０】本発明の実施例２における数値実施例の入射光の波長に対するメタマテリアルの屈折率を示す図。
【図１１】本発明における第１の誘電体部を交差領域を少なくとも一部の上層側に配置する構成例について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により図を用いて説明する。
その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例】
【００１０】
［実施例１］
実施例１として、本発明の構成を適用したメタマテリアル１００の構成例について、図１を用いて説明する。
図１において、１００はメタマテリアルである。本実施例のメタマテリアル１００は、単位格子１０１が平面上に２次元的に配列され、これらが積層されて構成されている。
図２は単位格子１０１の構成について説明する図である。
図２（ａ）に示すように、単位格子１０１は、金属からなる金属十字層１０２と誘電体からなる誘電体層１０３とで構成される。
また、図２（ｂ）に示すように、金属十字層１０２は、第１軸１０４に沿った金属の第１の柱部１１２と、第１軸と同一平面上にあり該第１軸と交差する第２軸１０５に沿った金属の第２の柱部１２２とを備える。
そして、第１の柱部１１２と、第２の柱部１２２とが交差する交差領域１０６と、これらが交差領域１０６と交差しない非交差領域１０７とによって十字構造に構成されている。
【００１１】
また、上記した単位格子１０１における誘電体層１０３は、図２（ｃ）に示すように、第１の誘電体部１１３と第２の誘電体部１２３とで構成され、上記単位格子を構成する金属十字層１０２の上層側に配置されている。
そして、第１の誘電体部１１３は、交差領域１０６の少なくとも一部を含む直上に配置される。
第２の誘電体部１２３は、第１の誘電体部１１３と同一平面上にあり、非交差領域１０７の少なくとも一部を含む直上に配置される。その際、第２の誘電体部１２３の屈折率を第１の誘電体部１１３の屈折率より小さくすることで、単位格子を微小化することなく、共鳴波長を短波長化することができる。
【００１２】
ただし、図２に示した例では、上記単位格子を構成する金属十字層１０２の上層側に、誘電体層１０３を配置した。しかし、図１に示した積層構造のメタマテリアルは、金属十字層と金属十字層の間に誘電体部が配置されていればよいので、
誘電体層１０３は金属十字層１０２の上層側に配置されるものに限られるものではなく、金属十字層１０２の下層側に配置するようにしてもよい。
また同様に、金属十字層１０２はメタマテリアル１００の２次元的に配列された単位格子の一部であるから、単位格子の決め方により十字構造でない場合も存在する。しかし、そのような場合においても、十字構造の単位格子となるように単位格子を決めることができる構造であれば、本発明の効果を得ることができる。
【００１３】
以下に共鳴波長を短波長化できる原理について説明する。
まず、メタマテリアル１００中にある磁気（または電気）共振器の共鳴現象を用いて、透磁率（または誘電率）が変化することを図３を用いて説明する。
図３は、共鳴波長の光１１０がメタマテリアル１００に入射した場合を示している。光１００の磁場振動１０８は第２軸１０５に平行に入射し、光１００の電場振動１０９は第１軸１０４に平行に入射している。
金属中の自由電子は入射した光１００の電場振動１０９方向に力を受け、金属十字層１０２中を第１軸１０４方向に運動する。
ただし、メタマテリアル１００は単位格子を積層した構造であり、図３に示すように、積層方向で位相が異なって金属十字層を運動する自由電子の向きが反対方向となる。
特に、第２の柱部１２２の非交差領域１０７中を運動する自由電子は、金属の端部で運動できなくなるため、自由電子の偏り（粗密）が生じる。
以上の自由電子の動きから、アンペールの法則に従い、入射光の磁場振動１０８に対して反抗する方向に磁場１１１が発生する。
よって、図４に示されるように、メタマテリアル１００は、特定の波長（周波数）で共鳴し、透磁率（屈折率）が変化する。
【００１４】
つぎに、第２の誘電体部１２３の屈折率を第１の誘電体部１１３の屈折率より小さくすることで、共鳴波長を短波長化させることができる原理を説明する。
金属十字層の中間にある誘電体層１０３は、金属十字層に蓄積した電荷から誘電体層１０３の表面に電荷が誘起される。特に、金属中の電荷の偏りが大きい非交差領域１０７を、屈折率が小さい第２の誘電体部１２３で形成すれば、金属十字層に接する第２の誘電体部１２３の表面に誘起される電荷量が小さくなる。
誘電体層の表面に誘起される電荷が小さくなれば、金属中の自由電子は運動しやすい（抵抗が小さい）状態となり、運動に寄与する自由電子の数が増え、結果的に大きな磁場１１１を得ることができる。磁場１１１は、入射光の磁場振動１０８に対して反抗する成分であるので、磁場１１１が大きくなれば、共鳴波長は短波長化する。
このことは、ＬＣ共振器回路において、キャパシタンスの容量を小さくしたことに相当する。
以上の原理により、第２の誘電体部１２３の屈折率を小さくすることで、単位格子を微小化することなく、共鳴波長を短波長化することができる。
【００１５】
以下に、数値実施例について説明する。
単位格子１０１は、第１軸、第２軸方向の長さを６００ｎｍとし、金属十字層１０２の膜厚３０ｎｍ、誘電体層１０３の膜厚６０ｎｍとする。
金属十字層は、第１の柱部１１２の幅を４００ｎｍ、第２の柱部１２２の幅を１８０ｎｍとする。
また、金属十字層１０２を銀、第１の誘電体部１１３をフッ化マグネシウム（屈折率１．３７５）、第２の誘電体部１２３を空気（屈折率１．０）で形成する。
【００１６】
本数値実施例における、入射光の波長に対するメタマテリアル１００の屈折率を図５に示す。波長１．０７μｍで共鳴する。
ここで、従来例における構造の例として、誘電体層が金属十字層と同じ形状となった単位格子を用いた場合のメタマテリアルの屈折率関係を図６に示す。
波長１．４５μｍで共鳴し、本発明に比べ、共鳴波長が長波長側にある。
なお、上記従来例における構造は、本実施例とは誘電体層１０３の面内形状のみが異なり、その他の条件は全て同じとした。
仮に屈折率が−１の材料を得たければ、本実施例では波長１．０４μｍで得られるのに対し、従来例における構造では波長１．２３μｍとなり、本実施例によって同じ単位格子の大きさの構造で短波長化することができる。
なお、本実施例では第２の誘電体部を空気で形成するとした。これは、空気の屈折率は１．０と小さいため、短波長化する効果が大きくなるためである。
但し、第２の誘電体部が第１の誘電体部より低屈折率のその他の材料を用いても、本発明の効果が同様に発現する。
【００１７】
つぎに、図７を用いて、本実施例におけるメタマテリアルの製造方法について説明する。
まず、金属十字層１０２を形成するため、石英などの基板７０１上に金属薄膜７０２をスパッタなどにより成膜する（図７（ａ））。
次に、リソグラフィーによって、レジスト膜をパターン化し、ドライエッチング工程によって、金属のパターン化を行う。続いて、アッシング等により残存レジストを除去して属十字層１０２を形成する（図７（ｂ））。
次に、誘電体層１０３を形成するため、第１の誘電体部の誘電体を成膜し、同様にリソグラフィーによって誘電体をパターン化する。続いて、第２の誘電体部を成膜し、ＣＭＰ法などにより表面を平坦化する（図７（ｃ））。
以上の金属十字層１０２、誘電体層１０３を順次積層して形成することでメタマテリアル１００を得ることができる。
また、上記製造方法は１層ずつ形成して製造する方法を示したが、まず、基板上に金属薄膜と誘電体を積層構造に形成し、その後、ＦＩＢなどの異方性エッチングを利用して作製してもよい。
【００１８】
［実施例２］
実施例２として、上記実施例１と異なる形態のメタマテリアルの構成例について、図８を用いて説明する。
図８において、２００はメタマテリアルであり、２０１は単位格子である。本実施例において実施例１と異なる点は、誘電体層の形状のみである。
本実施例の誘電体層２０３は、図９に示すように、第１の柱部１１２の上層側に第１の誘電体部２１３が配置され、この第１の誘電体部２１３の両側に第２の誘電体部２２３が配置されている。つまり、第１の誘電体部２１３は交差領域１０６と非交差領域１０７と接して配置される。
このように配置することで、誘電体層２０３は第１の誘電体部と第２の誘電体部のストライプで構成することができ、作製し易くなる。
また、第２の誘電体部２２３の屈折率を第１の誘電体部２１３より小さくする。これにより、第２の柱部１２２の非交差領域１０７の上層側に形成した第２の誘電体部２２３により、メタマテリアル２００の磁気共振器によって生じる反抗磁場１１１が大きくなり、共鳴波長は短波長化する。
【００１９】
以下に、数値実施例について説明する。
第１の誘電体部の幅を１８０ｎｍ、第２の誘電体部の幅を４２０ｎｍとし、その他の条件は実施例１と同様とした。
このときの共鳴波長は１．０９μｍとなり（図１０）、図６に示した従来構造に比べ、共鳴波長が短波長化している。
また、仮に屈折率が−１の材料を得たければ、本実施例では波長１．０７μｍで得られるのに対し、従来構造では波長１．２３μｍとなり、本発明によって同じ単位格子の大きさの構造で、短波長化動作することができた。
第１の誘電体部は、実施例１では交差領域１０６に配置し、また本実施例では第２の柱部の上層側にそれぞれ同じ形状で配置した（図１１（ａ、ｂ））。
しかし、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、第１の誘電体部は交差領域１０６の少なくとも一部の上層側または下層側に配置すればよい。
例えば、図１１（ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）に示すように、第１の誘電体部は、交差領域１０６より小さい面で接してもよいし、あるいは交差領域１０６より大きい面で接してもよい。
但し、交差領域より小さい面で接する方が、メタマテリアルの共鳴波長が短波長化する効果が大きい。
【符号の説明】
【００２０】
１００、２００：メタマテリアル
１０１：単位格子
１０２：金属十字層
１０３、２０３：誘電体層
１０４：第１軸
１０５：第２軸
１０６：第１の柱部と第２の柱部とが交差する領域である交差領域
１０７：第１の柱部と第２の柱部との交差領域でない領域である非交差領域
１１２：第１の柱部
１２２：第２の柱部
１１３、２１３：第１の誘電体部
１２３、２２３：第２の誘電体部
【図１】
2012151523.tif 000003
【図２】
2012151523.tif 000004
【図３】
2012151523.tif 000005
【図４】
2012151523.tif 000006
【図５】
2012151523.tif 000007
【図６】
2012151523.tif 000008
【図７】
2012151523.tif 000009
【図８】
2012151523.tif 000010
【図９】
2012151523.tif 000011
【図１０】
2012151523.tif 000012
【図１１】
2012151523.tif 000013