(57)【要約】【課題】標的物質を吸着させるためのホットスポットの数が豊富で、標的物質を効率的に測定することができる電場増強素子提供する。【解決手段】本発明に係る電場増強素子は、金属層と、金属層の上方に設けられ、所定の周期で配列された線状体と、金属層の上方に設けられ、平面視において、隣り合う線状体の間に配置されたナノ構造体と、を有し、ナノ構造体は、複数の金属部と誘電体部とを含み、複数の金属部が誘電体部によって、金属層の法線方向に離間して配置された構造を有し、金属部は、隣り合う線状体のうち近い方の線状体から、周期の０．１７倍以上０．３６倍以下の距離で、離間した位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と、
前記金属層の上方に設けられ、所定の周期Ｐで配列された線状体と、
前記金属層の上方に設けられ、前記金属層に垂直方向から見た平面視において、隣り合う前記線状体の間に配置されたナノ構造体と、
を有し、
前記ナノ構造体は、複数の金属部と誘電体部とを含み、複数の前記金属部は、前記金属層の法線方向に離間して配置されて配置されており、
前記金属部は、前記隣り合う前記線状体のうち近い方の前記線状体から、０．１７×Ｐ以上０．３６×Ｐ以下の距離の位置に離間して配置された、電場増強素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記ナノ構造体は、前記金属部及び前記誘電体部が積層された構造を有する、電場増強素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記ナノ構造体は、前記誘電体部が柱状の形状を有し、前記金属部が前記誘電体部の外周面に配置された構造を有する、電場増強素子。
【請求項４】
請求項１において、
前記ナノ構造体は、前記複数の金属部が前記誘電体部に分散された構造を有する、電場増強素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
前記ナノ構造体における隣り合う前記金属部の前記法線方向の離間距離は、前記金属部の前記法線方向の大きさよりも小さい、電場増強素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記線状体の材質は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、タングステン、ロジウム及びルテニウムの少なくとも一種を含む、電場増強素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の電場増強素子と、
前記電場増強素子に励起光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備えた、分析装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記励起光は、前記線状体の配列方向の偏光成分を含んで入射される、分析装置。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場増強素子、分析装置、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いたセンサーに対する関心が高まっている。
【０００３】
例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたＳＰＲを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、標的物質の吸着の有無を検出するものが知られている。この手法は、ＳＰＲによる消光波長が、検出対象分子（標的物質）の吸着前後でシフトするのを検出することで、検出対象分子の存在をセンシングする。
【０００４】
また、低濃度の標的物質を検出する高感度分光技術の１つとして、ＳＰＲを利用した表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が注目されている。ＳＥＲＳとはナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面でラマン散乱光が１０２〜１０１４倍に増強される現象である。
【０００５】
レーザーなどの単一波長の励起光を分子に照射すると、励起光の波長から分子の振動エネルギー分だけ僅かにずれた波長の光（ラマン散乱光）が散乱される。この散乱光を分光処理すると、分子種に固有のスペクトル（指紋スペクトル）が得られる。この指紋スペクトルの形状を分析することで、分子を同定することが可能となる。
【０００６】
一方、ラマン分光では、ラマン散乱光が非常に微弱の為、ごく低濃度の物質検出に、ＳＥＲＳを利用した強い増強度を示すセンサーチップが各種提案されている。例えば、非特許文献１には、ＧＳＰ（Ｇａｐ  ｔｙｐｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）構造を有し、誘電体膜の上に一次元の回折格子と、金属ナノアンテナと称する金属ナノ粒子が配置されたセンサーが開示されている。非特許文献１に記載のセンサーは、回折格子によって発生されたＰＳＰ（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）に金属ナノアンテナのＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）を結合させることで高い電場増強度を得ることを試みている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Advanced Materials Vol.24, 2012, pp.4376-4380
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、センサーの感度を高めるためには、（１）金属ナノ粒子の空間的な密度を高めること、（２）金属ナノ粒子のホットサイトの増強度を高めること、が有効と考えられる。（１）の密度を高めるための具体的な手法としては、金属ナノ粒子をセンサーの基板表面に沿って高密度で配置することや、金属ナノ粒子をセンサーの基板の法線方向に並べることが考えられる。一方（２）の増強度を高める具体的手法としては、金属ナノ粒子間に形成される電場の強度を高めることが考えられる。
【０００９】
しかし、金属ナノ粒子に強い増強電場が形成されるのは、金属ナノ粒子を結ぶ軸に対して平行な偏光の光（電場）が与えられた場合である。そのため、上記の（１）の金属ナノ粒子をセンサーの基板の法線方向に並べる手法であると、励起光を入射した場合、センサーの基板表面に沿う方向の偏光成分が主となるため、金属ナノ粒子を結ぶ軸に沿う偏光光（電場）を与えることが難しい。そのため密度は高めることができても上記（２）の金属ナノ粒子間に形成される電場の強度を高めることが難しい。
【００１０】
また、金属ナノ粒子対を結ぶ軸に沿う方向（すなわち、基板面の法線方向）に振幅成分を有する電場を与えるには、基板面に対して平行な方向から励起光を入射する必要があり、多くの場合、光のスポット径に比べ、金属ナノ構造対の大きさは非常に小さいため、ごく一部の光しか、局在表面プラズモンの励起に使うことができず、励起光のエネルギーの利用効率が小さくなってしまう。
【００１１】
このように、基板面の法線方向に金属ナノ粒子を積み上げる場合には、励起光を基板面に対して入射させるだけでは、基板面の法線方向に振幅する電場を十分に与えることが困難で、ホットサイト密度を期待通りの大きさで達成することは難しかった。
【００１２】
本発明の幾つかの態様に係る目的の１つは、標的物質を吸着させるためのホットスポットの密度が高く、ホットスポットの電場増強度が高い電場増強素子、分析装置及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
【００１４】
本発明に係る電場増強素子の一態様は、
金属層と、
前記金属層の上方に設けられ、周期Ｐで配列された線状体と、
前記金属層の上方に設けられ、前記金属層に垂直方向から見た平面視において、隣り合う前記線状体の間に配置されたナノ構造体と、
を有し、
前記ナノ構造体は、複数の金属部と誘電体部とを含み、複数の前記金属部は、前記金属層の法線方向に離間して配置されており、
前記金属部は、前記隣り合う前記線状体のうち近い方の前記線状体から、０．１７×Ｐ以上０．３６×Ｐ以下の距離の位置に離間して配置されている。
【００１５】
このような電場増強素子によれば、線状体によって金属層に形成される伝搬表面プラズモン（ＰＳＰ：Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）の、金属層の法線方向の電場成分によって、ナノ構造体の金属部の並ぶ方向に沿う方向の電場を与えることができる。これにより、ナノ構造体の金属部の周辺に強い局在表面プラズモン（ＬＳＰ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）を発生させ高い電場増強度の領域（ホットスポット）を形成することができる。しかもナノ構造体の金属部が金属層の法線方向に複数配置されるため、ホットスポットの密度が高い。したがって、このような電場増強素子は、標的物質を吸着させるためのホットスポットの密度が高く、かつ、ホットスポットの電場増強度が高いため、センサーとして用いる場合に、高い信号の増幅効果が得られる。
【００１６】
本発明に係る電場増強素子において、
前記ナノ構造体は、前記金属部及び前記誘電体部が積層された構造を有してもよい。
【００１７】
このような電場増強素子は、金属層の法線方向にナノ構造体の金属部及び誘電体部が積層され、上下の金属の間を誘電体で離間させている。このような構造とすることで、誘電体の膜厚を、成膜プロセスにより制御することができ、当該誘電体の膜厚を、高い精度で薄く形成することができる。そのため、金属部間の距離を、金属層に沿う平面上に配置する場合に比べて、接近させて配置することがより容易となる。そのためさらにホットスポット密度及びホットスポットの電場増強度を高めることができる。
【００１８】
本発明に係る電場増強素子において、
前記ナノ構造体は、前記誘電体部が柱状の形状を有し、前記金属部が前記誘電体部の外周面に配置された構造を有してもよい。
【００１９】
このような電場増強素子は、金属層の法線方向に複数の金属部が離間して配置された構造を容易に形成することができる。
【００２０】
本発明に係る電場増強素子において、
前記ナノ構造体は、前記複数の金属部が前記誘電体部に分散された構造を有してもよい。
【００２１】
このような電場増強素子は、金属層の法線方向に複数の金属部が離間して配置された構造を容易に形成することができる。
【００２２】
本発明に係る電場増強素子において、
前記ナノ構造体における隣り合う前記金属部の前記法線方向の離間距離は、前記金属部の前記法線方向の大きさよりも小さくてもよい。
【００２３】
このような電場増強素子は、金属部の周辺により効率よくＬＳＰを発生させることができる。
【００２４】
本発明に係る電場増強素子において、
前記線状体の材質は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、タングステン、ロジウム及びルテニウムの少なくとも一種を含んでもよい。
【００２５】
このような電場増強素子は、線状体による回折格子としての作用がさらに高まり、より効率よくＰＳＰを発生させることができる。
【００２６】
本発明に係る分析装置の一態様は、
上述の電場増強素子と、
前記電場増強素子に励起光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備える。
【００２７】
このような分析装置は、高い電場増強効果を有する電場増強素子を備えるため、プラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、標的物質を極めて高感度に分析することができる。
【００２８】
本発明に係る分析装置において、
前記励起光は、前記線状体の配列方向の偏光成分を含んで入射されてもよい。
【００２９】
このような分析装置は、伝搬表面プラズモンをより効率よく発生させることができる。
【００３０】
本発明に係る電子機器の一態様は、
上述の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備える。
【００３１】
このような電子機器によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい電場増強素子を備えており、標的物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
【００３２】
なお、本明細書では「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）が存在する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂが存在する場合と、Ａ上に他のものを介してＢが存在する場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いる。
【００３３】
また、「上」、「下」等の文言は、電場増強素子の設置状態に依存した上下関係を意図した文言ではなく、電場増強素子の設置状態にかかわらず、金属層が下に存在する状態で見た（金属層が下に来るように視野を採った）場合における上下関係を意図した文言である。したがって、例えば、仮に、重力の作用する方向が下となるように見た場合、金属層が上方となるように電場増強素子が設置されているとしても、金属層の上方に物体があるということの意味は、金属層が下方に位置するように視野を選び（すなわちこの場合には重力の作用する方向が上となるように見て）、文言どおり金属層の上方に物体が位置すると解することとする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態の電場増強素子の概略図。
【図２】実施形態の電場増強素子のナノ構造体の例を示す模式図。
【図３】実施形態の電場増強素子のモデル及びＦＤＴＤ計算の例を示す図。
【図４】実施形態の電場増強素子の電場強度のプロファイルの例を示すグラフ。
【図５】球状の金属部を配列させた状態を示すモデルにおける電場増強度の分布を示す図。
【図６】実施形態の電場増強素子の製造方法の一例を模式的に示す図。
【図７】実施形態に係る分析装置を模式的に示す図。
【図８】実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。
【図９】実験例に係るＦＤＴＤ計算モデルの説明図。
【図１０】実験例に係るモデルの反射率スペクトル。
【図１１】実験例に係るモデルの概略図及び電場強度計算結果。
【図１２】実験例に係るモデルの電場強度計算結果。
【図１３】実施例に係る線状体の重心からの距離に対するＸＺ面の最大電場増強度Ｅｘ、Ｅｚの比のグラフ。
【図１４】実施例に係る線状体の重心からの距離に対するＸＺ面の最大電場増強度Ｅｘ、Ｅｚの比のグラフ。
【図１５】実験例に係るモデルの概略図及び反射率スペクトル。
【図１６】実験例に係るモデルの概略図。
【図１７】実験例に係るモデルの反射率スペクトル。
【図１８】実験例に係るモデルの電場強度計算結果。
【図１９】実験例に係るモデルの概略図。
【図２０】実験例に係るモデルの反射率スペクトル。
【図２１】実験例に係るモデルの電場強度計算結果。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【００３６】
１．電場増強素子
図１は、本発明に係る電場増強素子の一例である本実施形態の電場増強素子１００を概念的に示す斜視図である。本実施形態の電場増強素子１００は、金属層１０と、線状体２０と、ナノ構造体３０と、を有する。
【００３７】
１．１．金属層
本実施形態の電場増強素子１００は、金属層１０を有する。金属層１０は、金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えばフィルム、板、層又は膜の形状とすることができる。金属層１０は、例えば図示せぬ基板の上に設けられてもよい。この場合の基板としては、特に限定されないが、金属層１０に励起される伝搬型表面プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。基板としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板の金属層１０が設けられる面の形状も特に限定されない。金属層１０の表面を平面とする場合には対応する基板の表面を平面としてもよい。図１の例では、基板は省略されている。
【００３８】
本明細書では、金属層１０の厚さ方向を、厚み方向、高さ方向、及び金属層の法線方向等と称する場合がある。本実施形態では、金属層１０の法線方向は、後述のナノ構造体３０の高さ方向と一致している。
【００３９】
金属層１０は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層１０が薄膜状に基板の上に設けられる場合には、基板の上面全体に設けられてもよいし基板の一部に設けられてもよい。金属層１０の厚さは、金属層１０に伝搬型表面プラズモンが励起され得るかぎり特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。また、金属層１０は、基板そのものであってもよい。
【００４０】
金属層１０は、光（例えば励起光）により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在しうる金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し（負の誘電率を有し）、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、金、銀、銅、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、タングステン、ロジウム及びルテニウムから選択される少なくとも１種の金属、若しくは、これらの複数種の合金等を挙げることができる。また、金属層１０は、これらの金属若しくは合金の複数の層の積層体であってもよい。
【００４１】
金属層１０は、本実施形態の電場増強素子１００において伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ）を発生させる機能を有している。特定の条件下では、線状体２０を介して金属層１０に光が入射することにより、金属層１０の表面（厚さ方向の端面）近傍に伝搬型表面プラズモンが発生する。本明細書では、金属層１０の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｌａｒｉｔｏｎ）と称することがある。係る金属層１０に発生した伝搬型表面プラズモンの法線方向の電場成分によって、ナノ構造体３０の金属部３２近傍に局在表面プラズモンを効率よく発生させる。
【００４２】
１．２．線状体
本実施形態の電場増強素子１００は、線状体２０を有する。線状体２０は、金属層１０の上方に設けられる。線状体２０は、金属層１０に接して設けられてもよいし、金属層１０から離間して設けられてもよい。図１の例では、線状体２０は、金属層１０の上に形成された誘電体層４０の上に設けられており、金属層１０から誘電体層４０の厚さだけ離間して形成されている。
【００４３】
線状体２０は、金属層１０の表面に沿って延びる線状、あるいは棒状の形状を有する長尺体である。線状体２０の延びる方向の長さは特に限定されないが、線状体２０が配列（後述）した際に、回折格子として機能する程度の長さを有する。線状体２０の長手方向を切る断面の形状についても限定されない。図１の例では、直方体状の線状体２０となっているが、長手方向を切る断面の形状は、例えばなだらかな円形、半円形、三角形、不定形及びそれらを組み合わせた形状であってもよい。さらに、回折格子として機能できる限り、長手方向を切る断面は、線状体２０の全体で同じでなくてもよい。
【００４４】
線状体２０の材質は、回折格子として機能できる限り任意である。線状体２０の材質としては、例えば、金属、金属酸化物、誘電体、絶縁体等とすることができる。しかし、回折格子としての作用がより高まる観点から、金属を含んで形成されることが好ましい。そのような金属としては、特に限定されないが、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、タングステン、ロジウム及びルテニウムの少なくとも一種を含むことが好ましい。線状体２０の材質と金属層１０の材質は、同じでも異なってもよい。
【００４５】
また、線状体２０は、複合構造であってもよい。複合構造としては、例えば、金属及び誘電体の積層構造や、誘電体に金属が分散した構造が挙げられる。さらに、線状体２０の構造は、後述するナノ構造体３０の構造と同じであってもよい。すなわち、ナノ構造体３０の構造が金属及び誘電体の積層構造である場合には、同様の金属及び同様の誘電体の積層構造としてもよい。
【００４６】
線状体２０は、所定の周期（ピッチ）で配列される。線状体２０の配列される方向は、線状体２０の延びる方向に直交する方向で、隣り合う線状体２０は、略平行に配置される。線状体２０が配列される数は、特に限定されず、例えば、３本以上１０００００本以下である。ここで、線状体２０のピッチとは、複数の線状体２０を切る断面において、各線状体２０の重心間の距離を指す。
【００４７】
線状体２０は、このように配列されることにより、回折格子（グレーティング）を形成する。配列された線状体２０によって励起光（入射光）が回折される結果、金属層１０の表面近傍に伝搬表面プラズモンが効率よく発生される。
【００４８】
１．３．ナノ構造体
１．３．１．ナノ構造体の構造
本実施形態の電場増強素子１００は、ナノ構造体３０を有する。ナノ構造体３０は、金属層１０の上方に設けられる。ナノ構造体３０は、金属層１０に接して設けられてもよいが、その場合には、ナノ構造体３０の金属部３２が金属層１０と電気的に接触しないような構造であることが好ましい。その場合には、例えば、ナノ構造体３０の誘電体部３４が金属層１０に接するように設ける。
【００４９】
ナノ構造体３０は、複数の金属部３２と誘電体部３４とを含み、複数の金属部３２が誘電体部３４によって、金属層１０の法線方向に離間して配置された構造を有する。換言すると、ナノ構造体３０は、金属層１０の法線方向において互いに離間して配置された複数の金属部３２を含む。
【００５０】
金属部３２は、図２に示すように、金属層１０から電気的に離間して配置される。図２（ａ）の例では、金属層１０の上に誘電体層４０が設けられ、その上に最下層に金属部３２を配置したナノ構造体３０が設けられている。また、図２（ｂ）の例では、金属部３２は、ナノ構造体３０の誘電体部３４により金属層１０から隔てられ、また、複数の金属部３２間に誘電体部３４が配置されて互いに離間して配置されている。また、図２（ｃ）の例では、金属部３２が金属層１０の上に設けられた誘電体部３４の側面（外周面）に設けられ、互いに離間して配置されている。図２（ｄ）の例では、金属層１０の上に最下層に誘電体部３４を配置したナノ構造体３０が設けられている。
【００５１】
なお、図２（ｂ）の例では、粒子状の金属部３２が誘電体部３４に分散しており、全体としてナノ構造体３０となっている。また、図２（ｃ）の例では、金属部３２が金属層１０の上に設けられた柱状の誘電体部３４の側面に設けられ、全体でナノ構造体３０となっている。なお図２では、模式的な例示となっているが、ナノ構造体３０に含まれる金属部３２の数や形状は何ら限定されない。また、金属部３２が基板面の法線方向に離間して配置されるということは、ナノ構造体３０を法線方向に投影した場合に、離間して配置された金属部３２の少なくとも一部が重なっていることをいう。
【００５２】
ナノ構造体３０に含まれる誘電体部３４は、ナノ構造体３０において、金属部３２を互いに離間した状態で配置させる機能を有する。ただし、ナノ構造体３０に含まれる金属部３２の必ずしもすべてを互いに離間して配置させる必要はなく、複数の金属部３２の幾つかが離間して配置されていれば、その他の金属部３２がナノ構造体３０中で接触していてもよい。ナノ構造体３０内で複数の互いに接触した金属部３２が存在する場合、当該接触した複数の金属部３２は、１つの金属部３２とみなすことができ、当該金属部３２には局在表面プラズモン（ＬＳＰ）が生じ得る。
【００５３】
また、誘電体部３４は、金属部３２を金属層１０から離間して配置させる機能を有する。ただし、金属部３２の必ずしもすべてが金属層１０から離間していなくてもよく、金属部３２の一部は金属層１０に接していてもよい。金属部３２を金属層１０から離間（絶縁）させることにより、当該金属部３２に局在表面プラズモン（ＬＳＰ）を生じさせることができる。
【００５４】
誘電体部３４は、複数の金属部３２を構造的に保持する機能を有する。１つのナノ構造体３０において、誘電体部３４が保持する金属部３２の数は２個以上であれば特に限定されない。また、金属部３２は、誘電体部３４によって、ナノ構造体３０の内部に包含されるように配置されてもよいし、ナノ構造体３０の表面に露出するように配置されてもよいし、ナノ構造体３０の表面に吸着するように配置されてもよい（図２（ｂ）、図２（ｃ）参照）。いずれの構造においても金属部３２の寸法は励起光の波長よりも小さく、局在表面プラズモン（ＬＳＰ）共鳴が発生することにより金属部３２の周囲に増強電場が形成される。
【００５５】
誘電体部３４の材質としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）及び窒化ケイ素（ＳｉＮ）から選択される１種又は複数種の混合物とすることができる。誘電体部３４は、内部に包含される金属部３２に対してＰＳＰによる振動電場（光）が到達しやすい点で、光を透過する材質であることがより好ましい。
【００５６】
金属部３２の形状は、特に限定されず、板状、円盤状、球状、回転楕円体形状、不定形、又はそれらを組み合わせた形状であることができる。また、ナノ構造体３０に含まれる複数の金属部３２は、互いに異なる形状であってもよい。
【００５７】
金属部３２の大きさ（寸法）は、金属部３２と同体積の球を仮定したときに、当該球の直径が、励起光の波長よりも小さいことが好ましい。具体的に例えば、金属部３２と同体積の球の直径は、５ｎｍ以上６００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である。さらに、金属部３２の寸法は、金属部３２の最大の差し渡し（ｓｐａｎ）が、励起光の波長の１／２（半波長）よりも小さいことが好ましい。ナノ構造体３０に含まれる複数の金属部３２のそれぞれの寸法は、互いに異なっていてもよい。
【００５８】
金属部３２の差し渡しが励起光の半波長程度以下の寸法である場合には、金属部３２にＰＳＰが作用した際に、金属部３２において電場の分極が生じやすく、局在表面プラズモン（ＬＳＰ）が生じやすい。
【００５９】
また、隣り合う金属部３２の金属層１０の法線方向における離間距離は、金属部３２の金属層１０の法線方向の大きさよりも小さいことが好ましい。すなわち、隣り合う金属部３２を一対選んだ場合に、両者の間に形成される金属層１０の法線方向における間隔は、当該一対の金属部３２のうち小さい方の金属部３２と同体積の球を仮定した場合の当該球の直径よりも小さいことが好ましい。このようにすれば、金属部３２の周辺により効率よくＬＳＰを発生させることができる。
【００６０】
金属部３２の材質は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、タングステン、ロジウム及びルテニウムから選択される少なくとも１種の金属、若しくは、これらの複数種の合金、又は、これらの複数の金属若しくは合金の複合体とすることができる。このような材質であると、可視光付近の光によって局在プラズモンを生じ易い。これらの中でも、ナノ構造体３０の材質として、金又は銀であることがより好ましい。このようにすれば、より強いＬＳＰ共鳴が得られ、素子全体の増強度を高めることができる。
【００６１】
ナノ構造体３０を、図２（ａ）、図２（ｄ）に示すような、金属部３２と誘電体部３４とを交互に薄膜状に積み上げた構造とする場合には、半導体製造の分野で一般的なフォトリソグラフィー技術、蒸着技術等を用いて容易に作成することができる。
【００６２】
また、図２（ｂ）に示すようなナノ構造体３０は、例えば、多元成膜法、複合ターゲットを用いたスパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、ナノ構造体３０は、リフトオフ法によって形成することもできる。
【００６３】
さらに、図２（ｃ）に示すような柱状の誘電体部３４の外周面に金属部３２を配置したナノ構造体３０は、例えば、適宜の基板に、金属を蒸着して金属膜を形成し、金属膜の上方に誘電体を成膜し、マスクを用いて所定の誘電体部３４の形状を形成する。その後、所定の金属を蒸着することにより、ナノ構造体３０を作成することができる。金属の蒸着工程において、例えば、真空度や基板温度等を調節することで、所定の大きさの金属部３２を形成することができる。
【００６４】
１．３．２．ナノ構造体の配置
ナノ構造体３０は、平面視において、隣り合う線状体２０の間に配置される。ナノ構造体３０が配置される数は特に限定されない。
【００６５】
金属層１０上に線状体２０から形成される回折格子（周期構造）を設けると、入射光によって金属層の表面に伝搬表面プラズモン（ＰＳＰ）が励起される。ＰＳＰは、金属層１０の上面付近（誘電体層４０（後述）がある場合には両者の界面付近）を伝搬するか、回折格子の効果により定在波を形成する。
【００６６】
図３は、ＦＤＴＤ計算結果の例を示す図である。図３の計算モデルにおいては、ナノ構造体３０を配置しておらず、２本の線状体２０が配置されている。また、図３のモデルでは、誘電体層４０を配置しているが、後述する通り、誘電体層４０は任意の構成であり、金属層１０の表面（上面）付近に形成されるＰＳＰは、誘電体層４０の有無にかかわらず同様の傾向を示す。
【００６７】
図３のモデルでは、金属層１０を膜厚１５０ｎｍの金（Ａｕ）薄膜とし、金属層１０の上に膜厚４０ｎｍのＳｉＯ２薄膜を配置し、その上に幅１００ｎｍ、厚さ３０ｎｍの直方体状の金の線状体２０を２本配置している。そして、図３の上図の四角で囲った領域を計算領域とした。そして、ＦＤＴＤシミュレーションで近接場解（増強電場の分布）を求めた結果を図３の下図に示した。ここでは、Ｒｓｏｆｔ社（現Ｓｙｎｏｐｓｙｓ  Ｉｎｃ．社（米国））のＦＤＴＤ  ｓｏｆｔ  ＦｕｌｌＷＡＶＥを用いているが、同様の計算が可能であればどのように計算してもよい。励起光としては、Ｘ方向の直線偏光光とし、Ｚ方向（金属層１０の厚さ方向）に平行な垂直入射とした。また、励起光の波長は、増強電場が最大となる波長とした。
【００６８】
図３の下図（Ｘ方向の電場成分（図中Ｅｘ）及びＺ方向の電場成分（図中Ｅｚ）のＸＺ断面図）から分かるように、金属層１０に沿う方向の偏光光を与えたにもかかわらず、ＰＳＰは、Ｘ方向の電場成分（図中Ｅｘ）のみならず、Ｚ方向の電場成分（図中Ｅｚ）にも高い強度を有することが理解されよう。また、このＰＳＰの増強電場は、金属層１０及び誘電体層４０の界面だけにとどまらず、空気中でも有限の値を持つことがわかる。
【００６９】
図４は、図３の下図にＡで示すラインにおける電場強度のプロファイルを示す。図４をみると、ＰＳＰのＸ方向の電場成分と、Ｚ方向の電場成分の強度のプロファイルは、最大となる位置が、Ｘ方向に関して交互に現れることがわかる。なお、図４における線状体２０の重心の位置は、Ｘ＝±０．３μｍの位置である。
【００７０】
図４をみると、Ｅｘは、Ｘ＝０μｍ、Ｘ＝±０．２μｍ付近で極大値を取ることがわかる。Ｘ＝０μｍの位置は、線状体２０（回折格子）から周期の１／２ずれた位置である。一方、Ｅｚは、Ｘ＝±０．１１μｍ、Ｘ＝±０．２５μｍ付近で強い値を持つことがわかる。これらの極大のうち、Ｘ＝±０．２５μｍ付近のものは、線状体２０の電荷の影響であり、ＰＳＰの寄与は小さく、Ｘ＝±０．１１μｍ付近の極大がＰＳＰが寄与する極大である。この位置は、一対の線状体２０のうち、近い方から、回折格子の周期の約１／４ずれた位置に相当する。
【００７１】
なお、非特許文献１に開示されているモデルでは、グレーティングの周期は７３０ｎｍであり、上記の図３、図４とは相違しているが、ＰＳＰの性質は変わらないので、図４と同様に、ＰＳＰのＥｚ成分は、グレーティングから約１／４周期離れた位置で最大となり、１／２周期ずれた位置で０となると考えられる（非特許文献１において、図４のように格子の座標をＸ＝３６５ｎｍとすれば、Ｘ＝０ｎｍＥｚ＝０、Ｘ＝１８２．５ｎｍでＥｚ＝が極大となると考えられる。）。また、非特許文献１のナノアンテナは、基板に平行かつグレーティングに垂直に並ぶ２つの金属粒子からなっており、該粒子の長さは８５ｎｍ、粒子間の間隔は５ｎｍである。そしてＸ＝１８２．５ｎｍの位置にはナノアンテナが配置されておらず、ＰＳＰのＥｘの強度が大きい位置（Ｘ＝０ｎｍ）を挟むようにナノアンテナの２つの粒子を配置している。同文献では、これにより、主にＰＳＰのＥｘ成分を利用してナノアンテナのＬＳＰの強度を得ていると考えられる。
【００７２】
これに対して本実施形態の電場増強素子１００では、ナノ構造体３０に金属部３２を金属層１０の法線方向に離間して配置しており、ＰＳＰのＥｚ成分を利用して金属部３２周
辺にＬＳＰを生じさせる。これにより、高い電場増強度を得るとともに、金属層１０に沿う平面の単位面積当たりのホットスポットの数（ホットスポット密度；ＨＳＤ：Ｈｏｔ  Ｓｐｏｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）を高めるのである。
【００７３】
上記のシミュレーションからは、ナノ構造体３０が配置される位置は、ナノ構造体３０に含まれる金属部３２が、一対の線状体２０のうち、近い方から、回折格子の周期の約１／４ずれた位置となるように配置されることが最適と考えられるが、この位置からある程度ずれても十分なＥｚの強度が得られる領域が存在する。したがって、ナノ構造体３０の金属部３２の配置される位置は、隣り合う線状体２０のうち近い方の線状体２０から、周期の０．１倍以上０．４倍以下、好ましくは０．１３倍以上０．３８倍以下、より好ましくは０．１７倍以上０．３６倍以下、特に好ましくは０．２倍以上０．３倍以下、の距離で、離間して配置されることが好ましい。このような範囲であれば、十分な電場増強度が得られることは、後述の実験例により実証される。
【００７４】
また、図３の下図に示す電場強度の分布は、線状体２０の延びる方向（すなわちＹ方向）に、線状体２０が存在する範囲で同様となると考えられる。したがって、ナノ構造体３０の金属部３２配置される好ましい位置は、線状体２０の延びる方向に沿って拡がっている。したがって、係る位置にナノ構造体３０を複数配置してもよいし、ナノ構造体３０を平面視において、線状の形状として係る位置に配置してもよい。
【００７５】
１．３．３．ナノ構造体におけるＬＳＰ
局在表面プラズモン（ＬＳＰ）について説明する。直径Ｄの金属ナノ粒子を想定した時、直径Ｄが励起光ｉの波長λより十分小さい時、準静電近似を用いて考えると、金属ナノ粒子に光を入射した時、光電場によって励起される粒子内分極の分極率αについては、式（１）の関係が導かれる。
【００７６】
【数１】
2016197069.tif 000003
ここで、ε１は金属の誘電率、ε２は、金属ナノ粒子の周囲の誘電率である。ε１が負の値をとる場合、αは急激に大きくなり、特に、ε１が−２ε２の場合、分母が０となり、数式上、分極率αが無限大になる。実際には誘電率が虚部を持つため、有限の値となるが、非常に大きな値となる。この分極率の発散に伴い、金属ナノ粒子の外側には非常に強い増強電場が励起される。このような光と金属ナノ粒子の分極の共鳴現象を局在表面プラズモン共鳴という。
【００７７】
金属部３２が金属層１０の法線方向（上下方向）に分離して配置されたナノ構造体３０が、伝播表面プラズモン（ＰＳＰ）が発生する金属層１０の上方に形成されている。そして、ＰＳＰが、金属層１０の法線方向（上下方向）に電場の振幅成分を有するため、金属部３２の上下の端部付近に非常に高い電場増強度を有するホットサイトが形成される。
【００７８】
図５は、球状の金属ナノ粒子（金属部３２を想定）を配列させた状態を示すモデルにおける電場増強度の分布を示す計算結果である。図５（ａ）は、金属部３２の配列する方向に沿う方向（図中Ｚ’方向）に振動する電場（図中Ｅ）を印可した場合を示し、図５（ｂ）は、金属部３２の配列する方向に直交する方向（図中Ｘ’方向）に振動する電場（図中Ｅ）を印可した場合を示している。
【００７９】
図５から、金属部３２が接近している方向（２つの金属部３２を結ぶ軸に沿う方向）に
平行な方向に振動する電場が与えられたときに、非常に大きい電場増強度となる領域が、金属部３２の間に生じていることがわかる（図５（ａ）の矢印参照）。すなわち、本実施形態の電場増強素子１００では、金属部３２が金属層１０の法線方向に非常に接近して配置されており、ＰＳＰによって与えられる金属層１０の法線方向に振動する電場によりＬＳＰを励起することができる。
【００８０】
１．４．線状体及びナノ構造体の関係
上述のように、複数の線状体２０によって回折格子（グレーティング）が形成され、励起光が入射されることにより、金属層１０の表面付近にＰＳＰが発生するが、線状体２０の構造が巨視的に見て明確であることが好ましい。すなわち、励起光が、回折格子の構造により受ける作用のほうが、ナノ構造体３０の構造や配列により受ける作用よりも支配的であることが好ましい。
【００８１】
例えば、ナノ構造体３０が周期的に配列された場合、係る配列は、回折格子としても機能し得る。しかし励起光のナノ構造体３０による回折が支配的となると、ナノ構造体３０の位置において、上述の高いＥｚが得られなくなる場合がある。そのため、ナノ構造体３０を周期的に配置した場合等においては、ナノ構造体３０は、励起光が線状体２０による回折が支配的となるように構成することが好ましい。
【００８２】
そのような線状体２０とナノ構造体３０との関係は、例えば、平面視において、線状体２０の占める合計の面積がナノ構造体３０の占める合計の面積よりも大きくすることは挙げられる。この場合、例えば、線状体２０の線幅を大きくすることが挙げられ、ナノ構造体３０を線状の形状とした場合でも、その線幅よりも線状体２０の線幅を大きくするとよい。なお、平面視において、線幅が大きければ、高さ方向の大きさは小さくても十分に励起光の回折において線状体２０の回折格子のほうが支配的となるようにすることができる。
【００８３】
また、図１の例では、線状体２０のほうが高さ方向（金属層１０の法線方向）の長さ（高さ）が小さいが、平面視において、線状体２０は線状（ストライプ）であり、ナノ構造体３０が点状（ドット）であること、並びに、平面視において、線状体２０の占める合計の面積がナノ構造体３０の占める合計の面積よりも大きいこと、により、所定の位置にＰＳＰのＥｚ成分の極大を発生させることができ、係る位置にナノ構造体３０を配置することができる。
【００８４】
さらに、励起光が、回折格子の構造により受ける作用のほうが、ナノ構造体３０の構造により受ける作用よりも支配的となるようにする手法として、適宜の材質の組み合わせが挙げられる。ナノ構造体３０は、上述の通り、金属部３２及び誘電体部３４を含む。そのため、線状体２０を金属で構成することにより、誘電体部３４を含むナノ構造体３０よりも励起光の回折において支配的とし得る。このようにすれば、必ずしも、平面視において、線状体２０の占める合計の面積がナノ構造体３０の占める合計の面積よりも大きくなくても、所定の位置にＰＳＰのＥｚ成分の極大を発生させることができる。
【００８５】
１．５．共鳴波長の調節
本実施形態の電場増強素子１００による電場の増強は、ナノ構造体３０によるＬＳＰ、及び、線状体２０によって金属層１０に生じるＰＳＰの共鳴波長に依存する。
【００８６】
１．５．１．ＬＳＰ波長
一様な媒質中に置かれた金属球を考える。金属球の局在表面プラズモン（ＬＳＰ）の共鳴波長（エネルギー）は、金属の誘電率がε１（ω）＝−２ε０を満たすエネルギーωである。ここで、ε１（ω）は金属の誘電率、ε０は周囲の媒質の誘電率であり、エネルギ
ーωは、波長λと、λ＝１２４０／ωの関係にある。
【００８７】
ＬＳＰの波長は、金属球の誘電率、形状、周囲の誘電率に依存する。また、２つの金属球が狭い間隔で配列している場合には、単一の金属球のＬＳＰ波長よりも長波長にＬＳＰ波長があることが知られている。上記の式では、金属球の形状やサイズを考慮していないが、金属球の形状とＬＳＰの波長との間の関係は知られている。
【００８８】
本実施形態の電場増強素子１００において、金属層１０の法線方向における複数の金属部３２間のＬＳＰの波長を調節する手法としては、
Ａ．ナノ構造体３０のサイズや形状を変化させる
Ｂ．ナノ構造体３０に含まれる複数の金属部３２の間の間隔を変化させる
ことが挙げられる。
【００８９】
上記Ａ．によると、サイズが小さいほど共鳴波長を短波長化することができる。また、形状を、金属層１０の法線方向に細長くすると共鳴波長を長波長化することができる。さらに、上記Ｂ．によると、間隔を狭くするほど共鳴波長を長波長化することができる。
【００９０】
１．５．２．ＰＳＰ波長
回折格子によって励起される伝搬表面プラズモン（ＰＳＰ）の共鳴波長は、分散関係におけるＳＰＰ分散曲線と回折光のライトラインとの交点で示される。金属層１０に入射される励起光の角振動数をω、真空中の光速をｃ、金属層１０を構成する金属の誘電率をε（ω）、周辺の誘電率をεとしたとき、その金属のＳＰＰの分散曲線は、式（２）
ＫＳＰＰ＝ω／ｃ［ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））］１／２  ・・・（２）
で与えられる。式における「・」又は「×」は、積の演算子を意味する。
【００９１】
一方、励起光の照射角であって金属層１０の法線方向からの傾斜角をθとし、間隔Ｑ（周期Ｑ）を有する仮想的な回折格子を通過した励起光の波数Ｋは、式（３）
Ｋ＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋ｍ・２π／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（３）
で表すことができ、この関係は、分散関係のグラフ上には、曲線ではなく直線で現れる（回折光のライトライン）。
【００９２】
分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線（上記式（２））と回折光の直線（上記式（３））とが交点を有する場合に、伝搬表面プラズモンが励起される。すなわち、ＫＳＰＰ＝Ｋの関係が成立すると、金属層１０に伝搬表面プラズモンが励起される。
【００９３】
したがって、上記式（２）及び式（３）から、以下の式（４）が得られ、
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（４）
この式（４）の関係を満たせば、金属層１０に伝搬型プラズモンが励起されることが理解される。そして、θ及びｍを変化させることにより、ライトラインの傾き及び／又は切片を変化させることができ、ＳＰＰ分散曲線にライトラインを交差させることができる。
【００９４】
そして、これらの関係から、回折格子の周期Ｑ（線状体２０のピッチに相当）を短くすることにより、ＰＳＰ共鳴波長を短波長化することができ、励起光の入射角度θを大きくする（金属層１０に対して傾ける）ことによりＰＳＰ共鳴波長を長波長化することができることが導かれる。
【００９５】
１．６．誘電体層
本実施形態の電場増強素子１００は、誘電体層４０を有してもよい。図１に示す例では
、電場増強素子１００は、金属層１０と、ナノ構造体３０及び線状体２０と、を隔てる誘電体層４０を有している。誘電体層４０は、図１に示すように、金属層１０の上に設けられる。これにより、金属層１０とナノ構造体３０内に含まれる金属部３２とを隔てることができる。そのため、ナノ構造体３０の下面に金属部３２を配置しても、金属層１０と接触しないようにできるため、係る金属部３２にＬＳＰを発生させることができる。誘電体層４０は、フィルム、層又は膜の形状を有することができる。
【００９６】
誘電体層４０は、正の誘電率を有すればよく、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）及び窒化ケイ素（ＳｉＮ）、高分子、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などで形成することができる。また誘電体層４０は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。これらのうち、誘電体層４０の材質としては、ＳｉＯ２であることがより好ましい。このようにすれば、４００ｎｍ以上の波長の励起光を用いて、試料を測定する際に、励起光及びラマン散乱光の両者をより容易に増強することができる。なお、誘電体層４０の材質は、ナノ構造体３０に含まれる誘電体部３４の誘電体と同じでも異なってもよい。
【００９７】
誘電体層４０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等の手法により形成することができる。誘電体層４０は、金属層１０の表面の全面に設けられてもよいし金属層１０の表面の一部に設けられてもよい。誘電体層４０の厚さは、特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
【００９８】
１．７．励起光
電場増強素子１００では、少なくとも上述の線状体２０の存在する領域において金属層１０に励起光が照射される。電場増強素子１００に入射される励起光の波長は、金属層１０に伝搬表面プラズモンを生じさせることができる限り、限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、励起光は偏光光であってもなくてもよいが、ＴＭ偏光光であると、ＰＳＰを効率よく発生させることができる。また、励起光は、線状体２０の配列方向に偏光成分を有するものとする。このような励起光としては、線状体２０の配列方向に偏光成分を有する直線偏光光や、円偏光光、楕円偏光光などである。
【００９９】
励起光の波長は、例えば、４００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下、より好ましくは６３０ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下とすることができる。励起光の照射領域の大きさは、いわゆるスポットサイズに相当する。なお、励起光は、レンズ等によって集光されなくてもよい。また、励起光の照射領域は、平面的に見て、円形、楕円形であってもよいし、アパーチャー等を用いて任意の形状としてもよい。さらに、レンズ等を用いる場合には、励起光に収差等が生じていてもよい。
【０１００】
１．８．電場増強素子の製造
図６は、本実施形態の電場増強素子の製造方法の一例を模式的に示す図である。本実施形態の電場増強素子は、例えば以下のように製造することができる。
【０１０１】
基板として例えば石英基板を準備する。図６（ａ）に示すように、石英基板上に金属層１０を、例えば、金をスパッタリングすることにより形成する。金属層１０の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上である。なお、石英基板と金属層１０との密着性を高めるために、密着層として石英基板及び金属層１０の間に、例えばクロムを５ｎｍ程度成膜してもよい。この場合の密着層の材質や厚さは、基板及び金属層１０の材質によって適宜に選択される。そして、金属層１０の上に、例えば、ＳｉＯ２をスパッタリングして誘電体層４０を
必要に応じて形成する。誘電体層４０の厚さは、例えば、５０ｎｍである。なお、金属層１０と誘電体層４０との密着性を高めるために、密着層として金属層１０及び誘電体層４０の間に、例えばＡｌ２Ｏ３を５ｎｍ程度成膜してもよい。この場合の密着層の材質や厚さは、金属層１０及び誘電体層４０の材質によって適宜に選択される。
【０１０２】
次に、図６（ｂ）に示すように、誘電体層４０（ＳｉＯ２）上に、電子線描画用レジストを塗布し、電子線描画装置（ＥＢＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）により線状体２０のパターンを露光する。この工程における露光により、金属対−回折格子間距離を制御する。この工程では、例えば、石英基板等にあらかじめ目印を設ける等して、所定の金属対−回折格子間距離となるレジストパターンを形成できるようにしてもよい。その後、現像し、感光部のレジストを取り除く。
【０１０３】
次いで、線状体２０としての金を真空蒸着法により成膜し、レジスト及び不要な金をリフトオフすることにより、図６（ｃ）に示すように、線状体２０（回折格子）を形成する。次に、再度電子線描画用レジストを塗布し、電子線描画装置によりナノ構造体３０のパターン（例えば円形パターン）を露光、現像し、図６（ｄ）に示すように、感光部のレジストを取り除く。
【０１０４】
次いで、ナノ構造体３０を形成する。ナノ構造体３０は、例えば、金属部３２及び誘電体部３４のディスクが積層した態様であり、例えば、金及びＳｉＯ２を真空蒸着法により交互に成膜することにより形成する。そして、レジスト及び不要な金及びＳｉＯ２をリフトオフにより除去し、線状体２０の間にナノ構造体３０を形成する（図６（ｅ））。
【０１０５】
他方、柱状の誘電体部３４（ピラー）の側壁に金属部３２を配置したナノ構造体３０を形成する場合には、例えば、図６（ｄ）の状態で、誘電体部３４としてのＳｉＯ２を真空蒸着して、レジスト及び不要なＳｉＯ２をリフトオフにより除去し、線状体２０の間にＳｉＯ２のピラーを形成する。その状態で、例えば金を真空蒸着することによりアイランド状の金粒子（金属部３２）を付着させることで形成することができる。なお、この場合、誘電体部３４の側壁以外の部分（誘電体層４０上、線状体２０上等）に金粒子が付着することがあるが、そのような付着が生じても、線状体２０の大きさやナノ構造体３０の配置が変化するものではないため、電場増強素子としての機能は失われない。
【０１０６】
なお、図示しないが、線状体２０の構造をナノ構造体３０の構造と同様に形成する場合には、図６（ａ）の工程まで行った後、誘電体層４０上に、電子線描画用レジストを塗布し、電子線描画装置により、線状体２０及びナノ構造体３０のパターンを露光する。その後、現像し、感光部のレジストを取り除く。次いで、例えば、金及びＳｉＯ２を真空蒸着法により交互に成膜することにより、金属及び誘電体が積層した態様の線状体２０と、金属部３２及び誘電体部３４のディスクが積層した態様のナノ構造体３０を同一工程で形成することができる。このようにすれば、パターニング工程も１回で済み、より効率よく電場増強素子を製造することができる。
【０１０７】
１．９．作用効果等
本実施形態の電場増強素子１００は、金属層１０に発生させた伝搬表面プラズモン（ＰＳＰ）によって、金属層１０の法線方向に振幅を有する電場を、ナノ構造体３０の金属部３２に与えることができる。これにより、ナノ構造体３０に含まれ、金属層１０の法線方向に離間して配置された複数の金属部３２に、強い局在表面プラズモン（ＬＳＰ）を発生させることができる。そのため、係る電場増強素子１００は、標的物質を吸着させるためのホットスポットの密度が高く、ホットスポットの電場増強度も高くすることができる。これにより、例えばＳＥＲＳ信号の高い増強度を得ることができ、高感度で高精度な分析に用いることができる。
【０１０８】
金属層１０に対して垂直に励起光を入射すると、励起光は金属層１０に沿う方向の偏光成分を有する光電場を生じやすいが、周期的に配列された線状体２０により、線状体２０から周期の約１／４倍離れた領域に法線方向の振動電場を生じさせることができる。本実施形態の電場増強素子１００では、係る電場により金属層１０の法線方向に配列した金属部３２の対に対して局在表面プラズモン（ＬＳＰ）を発生させ、法線方向に隣り合う金属部３２の間に非常に強い電場を形成することができる。
【０１０９】
また、本実施形態の電場増強素子１００において、ナノ構造体３０により金属層１０の法線方向に複数のホットスポットを形成することができ、しかもナノ構造体３０が、金属層１０に沿う方向に配列される場合には、ホットサイトの密度を非常に高くすることができ、標的物質の吸着部位を非常に多く形成することができ、例えば、表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）測定に適用すれば、非常に高感度の分析を行うことができる。
【０１１０】
２．分析装置
図７は、本実施形態に係る分析装置２００を模式的に示す図である。分析装置２００は、例えば、ラマン分光装置であり、以下分析装置２００はラマン分光装置であるものとして説明する。分析装置２００は、図７に示すように、気体試料保持部１１０と、検出部１２０と、制御部１３０と、検出部１２０および制御部１３０を収容している筐体１４０と、を含む。気体試料保持部１１０は、本発明に係る電場増強素子を含む。以下では、上述の電場増強素子１００を含む例について説明する。
【０１１１】
気体試料保持部１１０は、電場増強素子１００と、電場増強素子１００を覆うカバー１１２と、吸引流路１１４と、排出流路１１６と、を有している。検出部１２０は、光源２１０と、レンズ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、ハーフミラー１２４と、光検出器２２０と、を有している。制御部１３０は、光検出器２２０において検出された信号を処理して光検出器２２０の制御をする検出制御部１３２と、光源２１０などの電力や電圧を制御する電力制御部１３４と、を有している。制御部１３０は、図１８に示すように、外部との接続を行うための接続部１３６と電気的に接続されていてもよい。
【０１１２】
分析装置２００では、排出流路１１６に設けられている吸引機構１１７を作動させると、吸引流路１１４および排出流路１１６内が負圧になり、吸引口１１３から検出対象となる標的物質を含んだ気体試料が吸引される。吸引口１１３には除塵フィルター１１５が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。気体試料は、吸引流路１１４および排出流路１１６を通り、排出口１１８から排出される。気体試料は、係る経路を通る際に、電場増強素子１００のナノ構造体３０と接触する。
【０１１３】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、外部からの光が電場増強素子１００に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のＳ/Ｎ比を向上させることができる。流路１１４，１１６を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。
【０１１４】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路１１４，１１６の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構１１７としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。
【０１１５】
分析装置２００では、光源２１０は、電場増強素子１００に光（例えば波長６３３ｎｍ
のレーザー光、励起光ｉ）を照射する。光源２１０としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いることができる。光源２１０から射出された光は、レンズ１２２ａで集光された後、ハーフミラー１２４およびレンズ１２２ｂを介して、電場増強素子１００に入射する。電場増強素子１００からは、ＳＥＲＳ光が放射され、該光は、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２４、およびレンズ１２２ｃ，１２２ｄを介して、光検出器２２０に至る。すなわち、光検出器２２０は、電場増強素子１００から放射される光を検出する。ＳＥＲＳ光には、光源２１０からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器２２０のフィルター１２６によってレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器２２０の分光器１２７を介して受光素子１２８にて受光される。受光素子１２８としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【０１１６】
光検出器２２０の分光器１２７は、例えば、ファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されており、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器２２０の受光素子１２８によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。
【０１１７】
なお、分析装置２００は、電場増強素子１００、光源２１０、および光検出器２２０を含み、電場増強素子１００に標的物質を吸着させ、そのラマン散乱光を取得することができれば、上記の例に限定されない。
【０１１８】
分析装置２００では、上述したとおり、ホットスポットの単位面積当たりの密度が高く、ホットスポットの電場増強度も高い電場増強素子１００を含む。そのため、ラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、分析装置２００は、高い検出感度を有することができる。
【０１１９】
３．電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器３００について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係る電子機器３００を模式的に示す図である。電子機器３００は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置として分析装置２００を含む例について説明する。
【０１２０】
電子機器３００は、図８に示すように、分析装置２００と、光検出器２２０からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部３１０と、健康医療情報を記憶する記憶部３２０と、健康医療情報を表示する表示部３３０と、を含む。
【０１２１】
演算部３１０は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）であり、光検出器２２０から送出される検出情報（信号等）を受け取る。演算部３１０は、光検出器２２０からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部３２０に記憶される。
【０１２２】
記憶部３２０は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部３１０と一体的に構成されてもよい。記憶部３２０に記憶された健康医療情報は、表示部３３０に送出される。
【０１２３】
表示部３３０は、例えば、表示板（液晶モニター等）、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部３３０は、演算部３１０によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。
【０１２４】
健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。
【０１２５】
電子機器３００では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応することができる分析装置２００を含む。そのため、電子機器３００では、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
【０１２６】
４．実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は係る実験例により何ら限定されるものではない。
【０１２７】
４．１．実験例１
＜金属／誘電体の積層構造  ナノ構造体３０が及び線状体２０の間隔＞
図９は、実験例１に係る計算モデルを説明する模式図である。ナノ構造体３０としては、金属ディスク（金属部３２）／誘電体ディスク（誘電体部３４）／金属ディスク（金属部３２）の積層体とし、金属層１０の上に誘電体層４０を配置している。ここでは金属ディスクの層数を２層としたが、層数は上述の通り限定されない。
【０１２８】
図９のモデルにおいて、金属層１０は、金（Ａｕ）とし、膜厚を１５０ｎｍとした。誘電体層４０は、屈折率ｎ＝１．４６（ＳｉＯ２を想定）とし、膜厚を４０ｎｍとした。線状体２０（回折格子）は、金（Ａｕ）とし、Ｘ方向の幅を１００ｎｍ、膜厚を３０ｎｍとし、周期（ピッチ）６００ｎｍで、Ｘ方向に配列させた。ナノ構造体３０は、直径３０ｎｍの円柱状とし、金属部３２を高さ６０ｎｍの金（Ａｕ）、誘電体部３４を高さ２０ｎｍのＳｉＯ２としてＡｕ／ＳｉＯ２／Ａｕを積層した構造とした。
【０１２９】
以下の実験において、ナノ構造体３０と最も近い線状体２０との間の間隔（図中、「金属対−回折格子間距離」と記載、また以下、「金属対−回折格子間距離」ということがある。）を変化させた。なお、Ｙ方向の配列の周期は、２００ｎｍとした。
【０１３０】
入射光は、真上から垂直に入射し、線状体２０の配列する方向に垂直な方向の直線偏光光（Ｘ方向に直線偏光）とした。金属対−回折格子間距離は、線状体２０の中心のＸ座標とナノ構造体３０の中心のＸ座標の差とする。このモデルでは、金属対−回折格子間距離の値が大きいほど２つの構造体が近づく。ナノ構造体３０の中心＝金属ディスクの中心なので、金属対−回折格子間距離は「金属ナノ構造−回折格子間距離」と同義である。
【０１３１】
ＦＤＴＤ計算は、Ｒｓｏｆｔ社（現Ｓｙｎｏｐｓｙｓ  Ｉｎｃ．（米国））のＦＤＴＤ
ｓｏｆｔ  ＦｕｌｌＷＡＶＥを用いた。
【０１３２】
図１０は、金属対−回折格子間距離を変化させ、反射スペクトルをＦＤＴＤ計算により求めた結果を示す。係る計算におけるメッシュサイズはＸＹ５ｎｍ、Ｚ１−５ｎｍとした。
【０１３３】
図１０において、反射率の落ち込みはプラズモン共鳴波長を示す。共鳴波長と反射率は、金属対−回折格子間距離によって変化することがわかった。反射率の落ち込み（以下これを「反射率ピーク」又は単に「ピーク」と称することがある。）は５本あり、５７０ｎｍ付近の反射率ピークは反射率の落ち込みがほとんどないので、増強電場の値が弱いことがわる。それ以外の４本の反射率ピークについては増強電場を調べた。特定の波長領域に
現れる各反射率ピークに以下のように符号を付す。
反射率ピークＡ：６１０ｎｍ付近
反射率ピークＢ：６８０ｎｍ〜７００ｎｍ付近
反射率ピークＣ：８００ｎｍ付近
反射率ピークＤ：８２０ｎｍ付近
【０１３４】
反射率ピークＡ〜Ｄで、反射率の値が最小となる条件で増強電場を計算した。パラメーターを表１に、ＸＺ断面における増強電場分布を図１１に示す。図１１のスケールの最大値は、ナノ構造体３０に励起される電場の最大値とした（但し、線状体２０に局在する電場のほうが大きい場合もある。）。また、図１１から読み取った最大増強度について、表２に結果をまとめた。
【０１３５】
【表１】
2016197069.tif 000004
【０１３６】
【表２】
2016197069.tif 000005
【０１３７】
図１１より、反射率ピークＡ〜Ｄはすべて高さ方向に増強電場が形成されていることがわかる。反射率ピークＡはナノ構造体３０／誘電体層４０界面の電場が最も強く、反射率ピークＢ〜Ｃは、金属部３２の間（金属部３２に挟まれた薄い誘電体部３４の周辺）の電場が強められていることがわかった。
【０１３８】
ここで、増強度とＳＥＲＳの性能指数について述べる。
【０１３９】
金属部３２の周辺に励起される局所電場の増強度（スカラー）は、ＥｘとＥｚの二乗和の平方根、すなわち｜Ｅ｜＝ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）で表すこととする。このようにすれば、ホットサイトの増強度を互いに比較することができる。ＸＺ面における増強度｜Ｅ｜の分布を図１２に示す。
【０１４０】
図１２において、スケールの最大値はナノ構造体３０に励起される増強電場の最大値とした。反射率ピークＡ及び反射率ピークＣでは、金属部３２の４隅のすべてには強い局在電場が励起されておらず、センシングスポットが少ないと考えられる。反射率ピークＣではナノ構造体３０より線状体２０（回折格子）の周囲に局在する電場が強いことがわかる。そしてこの場合も反射率が低下することがわかる。
【０１４１】
表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）のセンサー感度を表す性能指数は、Ｅｉ＝入射光波長における電場増強度、Ｅｓ＝散乱光波長における電場増強度を用いて、
Ｅｉ２×Ｅｓ２×ＨＳＤ
で表される。
【０１４２】
また、入射波長と散乱波長の差が小さく、両者を同一のスペクトルのピークで検出する場合、性能指数は
Ｅｍａｘ４×ＨＳＤ
で表される。
【０１４３】
ナノ構造体３０が周期的に配置されている場合、ＨＳＤは、単位面積当たりのナノ構造体３０の密度としてよい。例えば、本実験例の場合、Ｘ周期６００ｎｍ、Ｙ周期２００ｎｍの単位面積中にナノ構造体３０が２つあるので、ＨＳＤ＝２／（６００×２００）と表すことができる。また、単位面積中に複数の金属部３２がある場合、性能指数は、
ΣＥｍａｘ４×ＨＳＤ
で表される。
【０１４４】
図１２における、２本の構造体の４個の金属ナノ粒子の４隅の増強度の和（ΣＥｍａｘ４）は、それぞれ、反射率ピークＡでは１．７×１０４、反射率ピークＢでは１．８×１０５、反射率ピークＣでは９．２×１０４、反射率ピークＤでは３．７×１０５である（ＨＳＤはすべて等しいので割愛する）。反射率ピークＣは、最大増強度こそ強いが、４隅のホットサイトの増強度のバラツキが大きいためΣＥｍａｘ４の値は反射率ピークＢ、Ｄに劣っている。したがって、高い性能指数を得るには反射率ピークＢと反射率ピークＤを用いることが有利であることが分かる。
【０１４５】
反射率ピークＢ及び反射率ピークＤについて、金属対−回折格子間距離を変えてＸＺ面の最大電場増強度Ｅｘ、Ｅｚの比を求めた。入射波長は図１０で求めた反射率ピークの波長とした。
【０１４６】
図１３にその結果を示す。図１３の横軸は金属対−回折格子間距離、縦軸はＥｚ／Ｅｘの比を表す。反射率ピークＢと反射率ピークＤのＥｚ／Ｅｘは類似の傾向があることが分かった。反射率ピークＢと反射率ピークＤとで、Ｅｚの値がＥｘを上回る（つまり、Ｅｚ／Ｅｘ＞１）となるのは、反射率ピークＢでは金属対−回折格子間距離が１００ｎｍ以上２２０ｎｍ以下、反射率ピークＤでは金属対−回折格子間距離が１１０ｎｍ以上２１０ｎｍ以下の範囲であることが分かる。一方、Ｅｚ／Ｅｘが最大となるのは、反射率ピークＢでは金属対−回折格子間距離が１６０ｎｍ程度、反射率ピークＤでは金属対−回折格子間距離が１５０ｎｍ程度であった。
【０１４７】
これらの値は、回折格子の周期（線状体２０のピッチ）を基準にすると、反射率ピークＢと反射率ピークＤとで、Ｅｚの値がＥｘを上回る（つまり、Ｅｚ／Ｅｘ＞１）となるのは、反射率ピークＢでは金属対−回折格子間距離が周期の０．１６６７以上０．３６６７ｎｍ以下、反射率ピークＤでは金属対−回折格子間距離が周期の０．１８３３３以上０．３５００以下の範囲であることが分かる。一方、Ｅｚ／Ｅｘが最大となるのは、反射率ピークＢでは金属対−回折格子間距離が、周期の０．２６６７程度、反射率ピークＤでは金属対−回折格子間距離が周期の０．２５００程度であると言える。
【０１４８】
また、ナノ構造体３０がない場合について計算した結果を図１４に示す（図３も参照）。図１４において、金属層１０と誘電体層４０との界面に励起されるＰＳＰの値を用いてＥｚ／Ｅｘをプロットした。入射波長はＰＳＰのピーク波長である６２０ｎｍとした。金
属対−回折格子間距離が１００ｎｍ〜２８０ｎｍにおいて、金属層１０と誘電体層４０との界面のＰＳＰと反射率ピークＢ、反射率ピークＤのＥｚ／Ｅｘの比は同じ傾向があることがわかる。したがって、反射率ピークＢ及び反射率ピークＤは、線状体２０の回折格子によって励起されるＰＳＰの影響を受けているということができる。つまり、ＰＳＰのＥｚ／Ｅｘの比が大きくなる位置は、回折格子の周期から約１／４周期ずれた位置であり、係る位置にナノ構造体３０を配置すると、高さ方向に強い増強電場を形成でき、高さ方向のＬＳＰを効果的に発生させることができることが分かる。また、ＰＳＰの寄与は、ナノ構造体３０のサイズや外観等に大きく影響されない。そのためナノ構造体３０において、金属部３２を高さ方向に積み重ねる方法は、本モデルのような積層の態様に限定されず、上記実施形態で述べた図２に示すような態様でもよいことが分かる。
【０１４９】
なお、図１４において、金属対−回折格子間距離が８０ｎｍ〜９０ｎｍの領域は、ＰＳＰによるＥｚ／Ｅｘの増大ではなく、線状体２０に局在する電場の影響でＥｚ／Ｅｘが増加していると考えられる。
【０１５０】
他方、表１に示した反射率の値が最小の、金属対−回折格子間距離と、図１３の増強電場比Ｅｚ／Ｅｘが最大となる、金属対−回折格子間距離と、が若干異なる理由としては、反射スペクトルが、線状体２０に局在する電場も含んでいるためと考えられる。いずれにしても金属対−回折格子間距離と、増強電場との大まかな傾向は、反射スペクトルから得ることができることがわかる。
【０１５１】
４．２．実験例２
＜ナノ構造体における金属部３２の数＞
図９に示したモデルで、金属対−回折格子間距離を１５０ｎｍ、金属部３２の数を変化させた。他のパラメーターは実験例１と同条件である。図１５に、モデルの概略と、反射スペクトルを示す。金属部３２の数（ディスクの層数）が増えた場合でも反射率ピークＢ及び反射率ピークＣが観測された。この結果から金属部３２の数を増やしても、反射率の変化は少ないことがわかり、強い性能指数を期待できることがわかった。
【０１５２】
４．３．実験例３
＜誘電体部の側壁に金属部を配置したナノ構造体＞
誘電体部３４をピラー形状（柱状）とし、係る柱の側壁に金属部３２が高さ方向に複数形成されているナノ構造体３０の場合、金属部３２の位置でＥｚが最大となるようにすることが有利と考えられる。
【０１５３】
４．４．実験例４
＜ＳＥＲＳの設計方法＞
既に述べたが、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）のセンサー感度を表す性能指数は、Ｅｉ＝入射光波長における電場増強度、Ｅｓ＝散乱光波長における電場増強度を用いて、
Ｅｉ２×Ｅｓ２×ＨＳＤ
で表される。
【０１５４】
本発明に係る電場増強素子をＳＥＲＳセンサーとして用いるには、
（１）単一のピークで入射、散乱波長をカバーする
（２）入射、散乱波長を異なるピークに合わせる
ことが有効である。
【０１５５】
（１）の場合には、ラマンシフトが小さい分子、（２）の場合にはラマンシフトが大きい分子を検出するのに適している。また（２）の場合は、例えば、上述の反射率ピークＢを入射波長に、反射率ピークＤを散乱波長に合わせることが考えられる。図１２から、反
射率ピークＢと反射率ピークＤにおけるホットサイトの位置は略等しいので、（１）及び（２）のどちらの設計方法でも大きな性能指数を得ることが可能であることがわかる。
【０１５６】
したがって、本発明の電場増強素子は、ラマンシフトが１０００ｃｍ−１未満の分子から２０００ｃｍ−１以上の分子までを高感度に検出できると期待できる。そして、複数のラマンピークを検出し、物質の検出性能を高めることも可能であることがわかる。
【０１５７】
４．５．実験例５
上述の実験例１の電場増強素子について、ＳＥＲＳ励起波長を６３２．８ｎｍに調節することを試みた。標的物質のラマンシフトを１０００ｃｍ−１とし、単一ピークで励起波長と散乱波長とをカバーするように実験した。
【０１５８】
励起波長が６３２．８ｎｍでラマンシフトが１０００ｃｍ−１の場合、ラマン散乱波長は６７５．５ｎｍである。したがって、電場増強素子の共鳴波長は、これらの波長の中間である６５４．２ｎｍとすれば、励起波長及び散乱波長の両者を増強することが可能である。本実験例では、図１５の２層構造（実線）のグラフにおける６９０ｎｍの反射率ピークＢを、６５４．２ｎｍへと短波長化することを試みた。
【０１５９】
このような電場増強素子において、ＬＳＰの波長を調節する手法としては、
・金属部（ディスク）の直径及び高さを等しくする
・金属部（ディスク）間の間隔を大きくする（誘電体部の厚さを大きくする）及び
・回折格子の周期（線状体の間隔）を短くする
ことの少なくとも一つを行うことが挙げられる。また、これらの手法以外にも、金属部の誘電率を変化させたり、ナノ構造体のサイズを変えても実行できる。
【０１６０】
本実験例では、以下のようにパラメーターを設定した。実験例１と同様のモデルを用いた（図９を参照）。そして線状体２０（回折格子）は、周期（ピッチ）５００ｎｍで、Ｘ方向に配列させ、ナノ構造体３０は、直径６０ｎｍの円柱状とし、金属部３２を高さ６０ｎｍの金（Ａｕ）、誘電体部３４を高さ３０ｎｍのＳｉＯ２としてＡｕ／ＳｉＯ２／Ａｕを積層した構造とした以外は、実験例１と同様とした。
【０１６１】
そして金属対−回折格子間距離を、１２５ｎｍとして、反射率スペクトル及び電場分布を計算した。それらの結果を図１７、図１８にそれぞれ示す。図１８の計算領域は、図１１の例と同様である。なお、本実験例においては、金属対−回折格子間距離は、回折格子（線状体）の周期の０．２５倍の距離離れた位置に金属部３２が配置されている。
【０１６２】
図１７をみると、反射率ピークＢの共鳴波長は６５４．２ｎｍとなり、６３２．８ｎｍ励起のＳＥＲＳに適した構造となっていることが判明した。また、図１８をみると、図１２のピークＢで示したと同様に、金属部３２の四隅に増強電場の強いホットスポットが形成されていることが分かる。このように、電場増強素子の構造を変化させることにより、ＬＳＰとＰＳＰの共鳴波長を調節することができ、例えば、標的物質に応じて、ＳＥＲＳに適用することができることが分かった。
【０１６３】
４．６．実験例６
図１９は、線状体２０を、積層構造としたモデルの模式図である。当該モデルの線状体２０は、金属／誘電体／金属の積層構造であり、材質や各層の厚さは、ナノ構造体３０における金属部３２及び誘電体部３４と同様である。上記実施形態でも述べたが、このような電場増強素子は、製造が非常に容易である。
【０１６４】
実験例５と同様の構造パラメーター（但し、線状体２０の厚さは、１５０ｎｍである。
）を用いて、ＦＤＴＤ計算を行った。
【０１６５】
図２０に、本実験例の反射率スペクトルを示す。図２０をみると、実験例５と同様に、反射率ピークＢ及び反射率ピークＤが観測された。実験例５における反射率ピークＢが７００ｎｍ付近にまで長波長シフトしたが、反射率ピークＤは、実験例５とほぼ等しい波長域に現れた。この結果は、反射率ピークＢが線状体２０の材質や高さに依存するピークであることを示している。また、反射率ピークＤがナノ構造体３０の各パラメーターに依存してシフトすることを示唆している。
【０１６６】
反射率ピークＢ及び反射率ピークＤの電場分布を図２１に示した。計算領域は、図１１の例と同様である。図２１をみると、反射率ピークＢ及び反射率ピークＤの両者において、ナノ構造体３０の金属部３２の四隅にホットスポットが形成されることがわかる。
【０１６７】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０１６８】
例えば、本発明に係る電場増強素子は、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出するアフィニティー・センサーなどとして用いることもできる。アフィニティー・センサーは、該センサーに白色光を入射し、波長スペクトルを分光器で測定し、吸着による表面プラズモン共鳴波長のシフト量を検出することで、検出物質のセンサーチップへの吸収を高感度に検出することができる。
【０１６９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１７０】
１０…金属層、２０…線状体、３０…ナノ構造体、３２…金属部、３４…誘電体部、４０…誘電体層、１００…電場増強素子、１１０…気体試料保持部、１１２…カバー、１１３…吸引口、１１４…吸引流路、１１５…除塵フィルター、１１６…排出流路、１１７…吸引機構、１１８…排出口、１２０…検出部、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…レンズ、１２４…ハーフミラー、１２６…フィルター、１２７…分光器、１２８…受光素子、１３０…制御部、１３２…検出制御部、１３４…電力制御部、１３６…接続部、１４０…筐体、２００…ラマン分光装置、２１０…光源、２２０…光検出器、３００…電子機器、３１０…演算部、３２０…記憶部、３３０…表示部
【図１】
2016197069.tif 000006
【図２】
2016197069.tif 000007
【図４】
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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１４】
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【図１５】
2016197069.tif 000014
【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図３】
2016197069.tif 000019
【図５】
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【図１０】
2016197069.tif 000021
【図１１】
2016197069.tif 000022
【図１２】
2016197069.tif 000023
【図１３】
2016197069.tif 000024
【図１８】
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【図２１】
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