(57)【要約】【課題】表面プラズモン効果に伴う電場増強を利用した素子であって、分子の検出感度を高くすることができる電場増強素子を提供する。【解決手段】電場増強素子１Ａは、第１の金属層４と、所定の幅Ｌを有するとともに幅Ｌとは垂直な方向において第１の金属層４から距離Ｄが保たれた第２の金属層６と、を有する構造体３と、第１の金属層４と第２の金属層６とを距離Ｄに保つ支持体７と、を備えている。構造体３は、第１の金属層４と第２の金属層６との間に、構造体３の外部と連通した空洞部８を有し、構造体３は、所定の光の入射によって表面プラズモン共鳴が生じる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属層と、所定の幅を有するとともに前記所定の幅とは垂直な方向において前記第１の金属層から所定の距離が保たれた第２の金属層と、を有する構造体と、
前記第１の金属層と前記第２の金属層とを前記所定の距離に保つ支持体と、を備え、
前記構造体は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に、前記構造体の外部と連通した空洞部を有し、
前記構造体は、所定の光の入射によって表面プラズモン共鳴が生じるものである、電場増強素子。
【請求項２】
前記第１の金属層及び前記第２の金属層の厚さ方向において前記所定の距離が保たれている、請求項１記載の電場増強素子。
【請求項３】
前記構造体は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に前記所定の幅を有して介在する誘電体層を有する、請求項１又は２記載の電場増強素子。
【請求項４】
前記所定の幅、及び、前記表面プラズモン共鳴により生じる表面プラズモンの波長は、下記式（１）を満たす、請求項１〜３のいずれか一項記載の電場増強素子。
Ｌ＝Ｎ・λｐ／２    …（１）
［式（１）中、Ｎは正の整数を示し、Ｌは前記所定の幅を示し、λｐは前記表面プラズモンの波長を示す。］
【請求項５】
前記支持体は、少なくとも一部が前記構造体における前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に設けられている、請求項１〜４のいずれか一項記載の電場増強素子。
【請求項６】
前記支持体は、前記構造体の外部に設けられている、請求項１〜４のいずれか一項記載の電場増強素子。
【請求項７】
前記支持体は、多孔質な部分を有し、
前記多孔質な部分が前記空洞部を構成している、請求項１〜４のいずれか一項記載の電場増強素子。
【請求項８】
前記支持体は、前記所定の幅よりも小さい幅を有して前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に収まるように設けられている、請求項１〜４のいずれか一項記載の電場増強素子。
【請求項９】
分子検出用である、請求項１〜８のいずれか一項記載の電場増強素子。
【請求項１０】
前記所定の光を発する光源と、
前記所定の光が入射する請求項９記載の電場増強素子と、
前記所定の光が入射した前記電場増強素子から放出される光を検出する検出器と、を備える分子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場増強素子、及び分子検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光技術を用いて微量の分子を検出する技術が開発されている。例えば、ラマン分光法と表面プラズモン効果を組み合わせてラマン信号を強電場下で増強させる技術が表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface  Enhanced  Infrared  Scattering）として知られている。また、検出対象分子の多くが赤外領域に吸収帯を有することに着目し、赤外光の入射に伴う表面プラズモン効果によって電場を増強する構造体を設け、分子の赤外吸収信号を増強してこれを検出する方法があり、特にＫｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置ＡＴＲ（Attenuated  Total  Reflection）法を利用した表面増強赤外吸収は、ＡＴＲ−ＳＥＩＲＡ（Surface  Enhanced  Infrared  Absorption）として知られている。
【０００３】
ＳＥＲＳの応用例として、非特許文献１では、金属の微粒子によって構成された凹凸のある金属面に対してデカンチオールやメルカプトヘキサノール等のバッファー層を塗布し、メルカプト基を介した分子結合によって検出対象分子を定着させることで、金属への密着性が低いグルコース分子等を検出することを試みている。
【０００４】
一方、電場増強型の赤外吸収に関しては、現状では検出手法に関する基礎研究が中心であり、非特許文献２では、基板上に金属ナノ粒子を形成し、これに検出対象分子であるｐ−メルカプト安息香酸等を吸着させている。ここで検出対象分子は、特別な処理を行わなくても基板上に自然に単膜状に吸着する分子が採用されている。
【０００５】
また、非特許文献３では、金属−絶縁体−金属の積層構造が電場増強型赤外吸収に利用されている。ここでは、金属−絶縁体−金属の積層構造を形成したチップ上に検出対象分子であるメルカプトヘキサデカン酸を吸着させている。メルカプトヘキサデカン酸はメルカプト基によって非特許文献２と同様に自然に単膜状に吸着する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】O.Lyandres,et.al.,“Real-time  Glucose  Sensing  by  Surface-Enhanced  Raman  Spectroscopy  in  Bovine  Plasma  Facilitated  by  a  Mixed  Decanethiol/Mercaptohexanol  Partition  Layer,”Anal.Chem.,2005,Vol.77,No.19,pp.6134-6139
【非特許文献２】M.Osawa,et.al.,“Surface-Enhanced  Infrared  Spectroscopy:  The  Origin  of  the  Absorption  Enhancement  and  Band  Selection  Rule  in  the  Infrared  Spectra  of  Molecules  Adsorbed  on  Fine  Metal  Particles,”Appl.Spectrosc.,1993,Vol.47,No.9,pp.1497-1502
【非特許文献３】A.Ishikawa  and  T.Tanaka,“Metamaterial  Absorbers  for  Infrared  Detection  of  Molecular  Self-Assembled  Monolayers,”Sci.Rep.,2015,5,12570
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＳＥＲＳ又は電場増強型赤外吸収を利用した分子検出装置として高い検出感度を得るためには、表面プラズモン効果による電場増強効果が高いこと、及び、電場が増強された領域に検出対象分子を導くことが鍵となる。
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に開示された金属微粒子構造では表面プラズモン共鳴の度合いが低いため、ラマン信号を十分に増強するのに必要な電場強度が得られない傾向がある。また、バッファー層を用いて分子を固定させているので、工程が増えるうえ、検出対象分子の種類が限定されるという問題がある。
【０００９】
また、非特許文献２及び３に開示された技術では、検出対象分子が自然吸着することに期待するものであって、電場が増強された領域に検出対象分子を積極的に導くための特別な工夫はなされていない。従って、検出感度が不十分なものとなりやすい。
【００１０】
そこで本発明は、表面プラズモン効果に伴う電場増強を利用した素子であって、分子の検出感度を高くすることができる電場増強素子を提供することを目的とする。また、この電場増強素子を用いた分子検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１の金属層と、所定の幅を有するとともに所定の幅とは垂直な方向において第１の金属層から所定の距離が保たれた第２の金属層と、を有する構造体と、第１の金属層と第２の金属層とを所定の距離に保つ支持体と、を備え、構造体は、第１の金属層と第２の金属層との間に、構造体の外部と連通した空洞部を有し、構造体は、所定の光の入射によって表面プラズモン共鳴が生じるものである、電場増強素子を提供する。
【００１２】
この電場増強素子では、構造体における第１の金属層と第２の金属層との間に構造体の外部と連通した空洞部を有しているので、検出対象分子が例えば毛細管現象によって空洞部に取り込まれる。また、構造体では所定の光の入射によって表面プラズモン共鳴が生じ、空洞部において電場が増強される。強電場下ではラマン信号や分子の赤外吸収が増強されるので、空洞部に取り込まれた検出対象分子に基づく信号を確実に捉えることができる。従って本発明の電場増強素子は、表面プラズモン効果に伴う電場増強を利用した素子でありながら、検出対象分子を検出する感度を高くすることができる。
【００１３】
この電場増強素子は、第１の金属層及び第２の金属層の厚さ方向において所定の距離が保たれていてもよい。また、構造体は、第１の金属層と第２の金属層との間に所定の幅を有して介在する誘電体層を有していてもよい。
【００１４】
この電場増強素子において、上記所定の幅、及び、表面プラズモン共鳴により生じる表面プラズモンの波長は、下記式（１）を満たしていてもよい。
Ｌ＝Ｎ・λｐ／２    …（１）
［式（１）中、Ｎは正の整数を示し、Ｌは上記所定の幅を示し、λｐは表面プラズモンの波長を示す。］
【００１５】
式（１）を満たしていると、表面プラズモン共鳴を高効率で生じさせることができる。
【００１６】
本発明の電場増強素子は、検出対象分子の取り込み具合や、素子の作製の都合を考慮して、種々の態様を採ることができる。
【００１７】
例えば、本発明の電場増強素子は、一態様において、支持体の少なくとも一部が構造体における第１の金属層と第２の金属層との間に設けられていてもよい。
【００１８】
また、本発明の電場増強素子は、一態様において、支持体が構造体の外部に設けられていてもよい。
【００１９】
また、本発明の電場増強素子は、一態様において、支持体が多孔質な部分を有し、多孔質な部分が空洞部を構成していてもよい。
【００２０】
また、本発明の電場増強素子は、一態様において、支持体が所定の幅よりも小さい幅を有して第１の金属層と第２の金属層との間に収まるように設けられていてもよい。
【００２１】
本発明の電場増強素子は、分子検出用であってもよい。上記のとおり、本発明の電場増強素子は、表面プラズモン共鳴による電場増強効果と分子の取り込み構造とが組み合わされているので、分子検出に適している。
【００２２】
また、本発明は、所定の光を発する光源と、所定の光が入射する上記電場増強素子と、所定の光が入射した電場増強素子から放出される光を検出する検出器とを備える分子検出装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、表面プラズモン効果に伴う電場増強を利用した素子であって、分子の検出感度を高くすることができる電場増強素子を提供することができる。また、この電場増強素子を用いた分子検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態の電場増強素子の部分平面図である。
【図２】図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第１の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第１の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第１の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図６】第１の実施形態の変形例の電場増強素子の部分平面図である。
【図７】図６のVII-VII線に沿った断面図である。
【図８】図６のVIII-VIII線に沿った断面図である。
【図９】図６のIX-IX線に沿った断面図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例の電場増強素子の部分平面図である。
【図１１】図１０のXI-XI線に沿った断面図である。
【図１２】第２の実施形態の電場増強素子の部分平面図である。
【図１３】図１２のXIII-XIII線に沿った断面図である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第２の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第２の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図１６】第２の実施形態の変形例の電場増強素子の部分平面図である。
【図１７】図１６のXVII-XVII線に沿った断面図である。
【図１８】第３の実施形態の電場増強素子の部分平面図である。
【図１９】図１８のXIX-XIX線に沿った断面図である。
【図２０】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第３の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図２１】（Ａ）及び（Ｂ）のいずれも、第３の実施形態の電場増強素子の作製方法を示す図である。
【図２２】分子検出装置の概要を示す図である。
【図２３】第１の実施形態の電場増強素子を用いた電場増強のシミュレーション結果を示す図である。
【図２４】第３の実施形態の電場増強素子を用いた電場増強のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２６】
＜第１の実施形態＞
図１及び図２に示されているとおり、電場増強素子１Ａは、金属、半導体又はガラス等からなる適当な基板２上に、複数の構造体３が配列されてなるものである。各構造体３は、第１の金属層４と、第１の金属層４から所定の距離Ｄが保たれた第２の金属層６と、第１の金属層４と第２の金属層６との間に介在する誘電体層５とから構成されている。
【００２７】
電場増強素子１Ａでは、基板２の片側の面の全面において第１の金属層４を含む金属層４０が積層されている。ここで第１の金属層４に相当する部分は、複数の構造体３にわたって金属層４０によって一体的に形成されている。金属層４０上に、絶縁体からなる複数の支持体層（支持体）７が、互いに平行に延びるように配置されている。複数の支持体層７は、間隔Ｌ’で互いに離間して平面視ストライプ状をなしている。そして、幅Ｌ（Ｌ＞Ｌ’）を有する複数の第２の金属層６が、各支持体層７間を架け渡すように積層されている。第２の金属層６はいずれも支持体層７が延びる方向に沿って延びており、従って、二つの第２の金属層６も、平面視ストライプ状をなしている。
【００２８】
幅Ｌは、電場増強型赤外吸収用として例えば波長５μｍ付近の赤外光の入射によって電場増強を行うためには、距離Ｄを１００ｎｍとした場合には１μｍ程度であることが好ましく、０．８〜１．４μｍであることが好ましい。また、間隔Ｌ’は幅Ｌの５０〜９５％であることが好ましく、７０〜９０％であることがより好ましい。
【００２９】
第１の金属層４と第２の金属層６は、幅Ｌと垂直な方向、且つ第１の金属層４と第２の金属層６の厚さ方向において、支持体層７が介在することによって所定の距離Ｄで互いに離間している。ここで、第１の金属層４と第２の金属層６との間の領域において、支持体層７が進入している進入部分７ａと空気層（空洞部）８とからなる誘電体層５が構成されている。第１の金属層４、第２の金属層６、及び、第１の金属層４と第２の金属層６とに挟まれた誘電体層５で、表面プラズモン共鳴が生じるキャビティとなる構造体３が構成されている。構造体３では、第１の金属層４と第２の金属層６が、誘電体層５によって互いに導通が制限されている。
【００３０】
距離Ｄは、電場増強型赤外吸収用として例えば波長５μｍ付近の赤外光の入射によって電場増強を行うためには、幅Ｌを１．０μｍとした場合には１００ｎｍ程度であることが好ましく、５０〜１５０ｎｍであることがより好ましく、８０〜１２０ｎｍであることが更に好ましい。
【００３１】
第１の金属層４及び第２の金属層６は、種々の分子を吸着する特性の高い金属で構成されていることが好ましく、例えば金や銀が挙げられる。
【００３２】
誘電体層５における空気層８は、図１及び図２には示されていない領域において構造体３の外部と連通している。すなわち、電場増強素子１Ａの周囲の環境に存在する気体又は液体は、構造体３の内部に進入することができる。
【００３３】
構造体３は原理的には単体で機能するが、分子の検出感度を一層高めるために、基板２上に数十〜数百個をアレイ状に形成することが好ましい。図１及び図２では構造体３が２個並んだ部分を示している。
【００３４】
第２の金属層６の幅Ｌ、及び、第１の金属層４と第２の金属層６との離間距離Ｄは、構造体３に表面プラズモン共鳴を引き起こす入射光の波長λ０を決める要素である。第２の金属層６の幅Ｌと、表面プラズモン共鳴により生じる表面プラズモンの波長λｐは、下記式（１）を満たす。
Ｌ＝Ｎ・λｐ／２    …（１）
ここで、Ｎは正の整数を示し、Ｌは、より正確には、第２の金属層６と誘電体層５との界面における、構造体３の積層方向に垂直な方向に沿った第２の金属層６の幅（すなわち表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティの幅）である。
【００３５】
この式の意味するところは、幅Ｌを有する構造体３が、入射光によって励起された波長λｐの表面プラズモンの共振器として動作し、特定の波長を有する光のみが電場を増強させる現象を引き起こすということである。すなわち、これによって励起される表面プラズモン定在波の波長は、「共振器長の２倍」、もしくは「共振器長の２倍」の整数分の１倍となる。式（１）を満たす場合に、表面プラズモン共鳴が高効率的で生じる。
【００３６】
また、表面プラズモンの波長λｐ、表面プラズモン共鳴を引き起こす入射光の波長（真空波長）λ０、誘電体層５の実効屈折率ｎｅｆｆの関係は、下記式（２）に示したとおりである。
λｐ＝λ０／ｎｅｆｆ      …（２）
ここでｎｅｆｆは、キャビティを構成する材料の屈折率（ｎｍ）と、距離Ｄによって決まる値である。電場増強素子１Ａの場合、実効屈折率ｎｅｆｆは、キャビティのほとんどを占める空気の屈折率ｎ０に、若干の支持体の屈折率（ｎｓ）が影響した値となる。
【００３７】
図３〜図５を参照しながら電場増強素子１Ａの作製方法について説明する。
【００３８】
はじめに、基板２上に、真空蒸着法又はスパッタ法等によって、第１の金属層４を構成する金属層４０を成膜する（図３（Ａ））。次に、金属層４０上に、完成後に第１の金属層４と第２の金属層６との距離となる距離Ｄよりも薄い厚さＤ’で絶縁膜（例えばＡｌ２Ｏ３）を成膜する。そして、成膜した絶縁膜をフォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、又はナノインプリント等の方法と、ウエットエッチング法又はドライエッチング法を用いて加工し、その間隔がＬ’となるように支持体層７を形成する（図３（Ｂ））。
【００３９】
続いて、ウエットエッチング選択比が支持体層７のウエットエッチング選択比よりも大きい材料（例えばＳｉＮ）を選択し、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法によって第２の絶縁膜２１を厚さＤで成膜する。この厚さが完成後の構造体３の誘電体層５の厚さＤになる。ごく薄い膜を形成する必要がある場合は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることが好ましい。ごく薄い膜を形成した場合、距離Ｄを非常に小さくすることができるので、ここに集中する電場の増強度合いを大きくできる可能性がある。
【００４０】
形成した第２の絶縁膜２１を、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、又はナノインプリント等の方法と、ウエットエッチング法又はドライエッチング法を用いて加工し、不必要な部分を取り除く。すなわち、第２の絶縁膜２１を、支持体層７が形成されていない領域、すなわち構造体３が形成される部分を含むように、形成する（図４（Ａ））。
【００４１】
更に、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、又はナノインプリント等の方法により、形成した第２の絶縁膜２１の両側、且つ支持体層７の上に、幅Ｌの間隔を空けてレジストパターン２２を形成する（図４（Ｂ））。
【００４２】
続いて、第２の金属層６となる金属膜を真空蒸着法又はスパッタ法で成膜した後、リフトオフを行う（図５（Ａ））。
【００４３】
最後に、支持体層７を残しつつ第２の絶縁膜２１のみをウエットエッチング法で除去する（図５（Ｂ））。これにより、第１の金属層４と第２の金属層６との間に空気層８が介在した金属−絶縁体−金属キャビティ構造が形成される。以上の手順によって、電場増強素子１Ａを作製することができる。
【００４４】
電場増強素子１Ａを電場増強型赤外吸収に適用する場合について説明する。
【００４５】
電場増強型赤外吸収は、検出対象分子による特定の波長の赤外吸収が、表面プラズモン共鳴によって増強される現象である。検出対象分子を含む媒体（気体又は液体）中に電場増強素子１Ａを置くことにより、第１の金属層４と第２の金属層６とに挟まれた空気層８の部分に検出対象分子が進入する。そして、検出対象分子は空気層８に面した第１の金属層４又は第２の金属層６の表面に吸着する。
【００４６】
電場増強素子１Ａに対して、幅（キャビティ長）Ｌの方向に電場振動成分を有する特定の波長の光を照射すると、構造体３が表面プラズモン共鳴を引き起こし、誘電体層５内の電場、特に空気層８の電場が増強される。シミュレーション結果としては、距離Ｄ＝１００ｎｍ、第２の金属層６の幅Ｌ＝１．０μｍ、支持体層７同士の間隔Ｌ’＝０．８μｍの際に、波長４．７μｍにおいて表面プラズモン共鳴が引き起こされた。この共鳴によって検出対象分子による赤外吸収が増強されるので、検出対象分子の有無に伴う変化量を、外部に設置した光検出器（後述する）で検出することができる。本実施形態の電場増強素子１Ａでは、上述のように、電場強度が高められた領域に検出対象分子を導くことができるので、微量な分子でも高い感度で検出することが可能である。
【００４７】
本実施形態の電場増強素子１Ａは、以下のとおり構成を変形して実施してもよい。
【００４８】
図６〜図９に示されている電場増強素子１Ｂは、支持体層７を誘電体層５の構成要素から排除した態様である。２本の支持体層７，７が金属層４０上に任意の距離を有して平行に２本設けられている。幅Ｌを有する長尺の第２の金属層６が、支持体層７，７間を架け渡すように複数配置されている。複数の第２の金属層６，６は互いに平行となるように並設されており、且つ、互いに任意の距離が保たれている。この態様では、第１の金属層４と第２の金属層６の間は、支持体層７のみ、又は、空気層８のみが存在することとなる。従って、表面プラズモン共鳴が生じるキャビティとしては、空気層８が誘電体層５の全部を占めることができ、支持体層７の表面プラズモン共鳴への影響が排除される。
【００４９】
この電場増強素子１Ｂは、第２の金属層６が並設されている方向において、誘電体層５が構造体３の外部に連通する開口部が広くなっている。従って、電場増強素子１Ａよりも検出対象分子が空気層８に取り込まれやすいという利点がある。また、広い開口部は光の出射口ともなるので、放出されるラマン散乱光を観測するＳＥＲＳの適用にも優れている。
【００５０】
また、図１０及び図１１に示されている電場増強素子１Ｃは、支持体層７が第１の金属層４と第２の金属層６との間に介在する領域が全く存在しない態様である。支持体層７は、構造体３に入射すべき光に対して透過性が高い材料からなり、金属層４０の全面の上に、複数の平行なトンネル空間を有するよう形成されている。すなわち、支持体層７は、所定の高さを有して互いに平行に延びる複数の柱部７ｂによって自らを支持するとともに、内部空間を複数のトンネル空間に仕切っている。第２の金属層６は、トンネル空間のうち天井に相当する部分に接して形成されており、第１の金属層４と第２の金属層６との間には空気以外の介在物が存在しない。この態様によれば、表面プラズモン共鳴のキャビティとして動作する領域を最大限に設定することができる。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態として、電場増強素子の他の形態を示す。図１２及び図１３に示されているとおり、第２の実施形態の電場増強素子１Ｄは、第１の実施形態の電場増強素子１Ａと比べて、誘電体層５が多孔質の絶縁体層１５からなっている点が異なる。
【００５２】
この場合の誘電体層５の実効屈折率（ｎｅｆｆ）は、多孔質の絶縁体の屈折率（ｎｐｏｌ）とその厚さＤ（第１の金属層４と第２の金属層６との距離）によって決まる値となる。毛細管現象によって多孔質の絶縁体層１５内に検出対象分子が浸透することによって、検出対象分子が表面プラズモン共鳴によって生じた強電場中に置かれることとなり、電場増強型赤外吸収信号を増強して検出することが可能になる。なお、本実施形態においては、検出対象分子は第１の金属層４又は第２の金属層６の表面に吸着する必要は必ずしもなく、多孔質の絶縁体層１５内に浸透した状態で留まっていてもよい。
【００５３】
図１４及び図１５を参照しながら電場増強素子１Ｄの作製方法について説明する。
【００５４】
はじめに、基板２上に、真空蒸着法又はスパッタ法等によって、第１の金属層４を構成する金属層４０を成膜する（図１４（Ａ））。次に、金属層４０上に、完成後に第１の金属層４と第２の金属層６との距離となる距離Ｄの厚さで、絶縁体（例えばＳｉＮやポリエチレン系高分子材料）を用いて多孔質の絶縁膜１５０を成膜する（図１４（Ｂ））。ここでは、成膜した絶縁膜１５０をフッ酸ガス等に晒すことにより多孔質化してもよく、又は、元々多孔質性の絶縁体材料を塗布することによって成膜してもよい。
【００５５】
続いて、形成した絶縁膜１５０上に、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、又はナノインプリント等の方法により、幅Ｌの間隔を空けてレジストパターン２２を形成する（図１５（Ａ））。ここに、第２の金属層６となる金属膜を、真空蒸着法又はスパッタ法で成膜した後、リフトオフを行う（図１５（Ｂ））。
【００５６】
最後に、第２の金属層６をマスクとして、ウエットエッチング法又はドライエッチング法を用いて、第２の金属層６間の領域にある絶縁膜１５０をエッチングする。これにより、絶縁膜１５０は第２の金属層と同じ幅Ｌを有するように加工される（図１３が完成図に相当する）。これにより、第１の金属層４と第２の金属層６との間に多孔質化された絶縁体層１５が介在した金属−絶縁体−金属キャビティ構造が形成される。以上の手順によって、電場増強素子１Ｄを作製することができる。
【００５７】
本実施形態の電場増強素子１Ｄは、以下のとおり構成を変形して実施してもよい。
【００５８】
図１６及び図１７に示されている電場増強素子１Ｅは、誘電体層５の全ての部分が多孔質化されているのではなく、幅Ｌ方向における両端部分のみが多孔質化された態様である。後述するとおり、表面プラズモン共鳴によって電場強度が最も強くなる部分はキャビティの端部であることから、このような構造でも検出対象分子の検出感度を高めることができる。この構造は、あらかじめ絶縁膜を金属層４０上に成膜し、続いて第２の金属層６をマスクとして絶縁膜をエッチングした後に、適時フッ酸ガス等にさらすことによって作製することができる。
【００５９】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態として、電場増強素子の他の形態を示す。図１８及び図１９に示されているとおり、第３の実施形態の電場増強素子１Ｆは、第１の実施形態の電場増強素子１Ａと比べて、誘電体層５の中心部が絶縁体層７で占められており空気層８が幅Ｌ方向の両側に存在している点が異なる。すなわち、第３の実施形態の電場増強素子１Ｆは、第１の実施形態の電場増強素子１Ａと比べて、誘電体層５において絶縁体部分（支持体層７）と空気層８との位置関係が逆になっている。
【００６０】
絶縁体層７の幅Ｌ’’は、第２の金属層６の幅Ｌに比べて短く、絶縁体層７は誘電体層５内に収まるように設けられている。これによって、第１の金属層４と第２の金属層６との間に、絶縁体層７が幅方向において後退した空隙（すなわち空気層８）が生じている。この電場増強素子１Ｆを検出対象分子を含む気体又は液体に晒すことにより、強電場領域であるキャビティ端部に、検出対象分子が入り込むことになる。これによって、ＳＥＲＳ効果又は電場増強型赤外吸収効果を効率的に生じさせることができる。
【００６１】
誘電体層５の実効屈折率（ｎeff）は、絶縁体層７の屈折率（ｎｍ）とその厚さＤ（第１の金属層４と第２の金属層６との距離）に、絶縁体層７が後退している部分の空気層８の屈折率（ｎｏ）の分が影響する値となる。従って、後退長さが大きくなるにしたがって実効屈折率は小さくなるので、これを考慮した設計が必要となる。ここで、絶縁体層７は、第１の金属層４と第２の金属層６との距離Ｄを保つ支持体としての役割のほか、誘電体層５の実効屈折率を調整する材料としての役割を兼ねている。
【００６２】
電場増強素子１Ｆにおいて、ＳＥＲＳ用として例えば波長０．７μｍ付近の可視光の入射によって電場増強を行うためには、距離Ｄを１０ｎｍとした場合には幅Ｌは、０．１〜１μｍであることが好ましく、０．２〜０．６μｍであることがより好ましい。また、幅Ｌを０．４μｍとした場合には距離Ｄは、５〜５０ｎｍであることが好ましく、８〜２０ｎｍであることがより好ましい。また、電場増強型赤外吸収用として例えば波長５μｍ付近の赤外光の入射によって電場増強を行うためには、距離Ｄを１００ｎｍとした場合には幅Ｌは、０．５〜２μｍであることが好ましく、０．８〜１．４μｍであることがより好ましい。また、幅Ｌを１．０μｍとした場合には距離Ｄは、５０〜５００ｎｍであることが好ましく、８０〜１２０ｎｍであることがより好ましい。
【００６３】
図２０及び図２１を参照しながら電場増強素子１Ｆの作製方法について説明する。
【００６４】
はじめに、基板２上に、真空蒸着法又はスパッタ法等によって、第１の金属層４を構成する金属層４０を成膜する（図２０（Ａ））。次に、金属層４０上に、完成後に第１の金属層４と第２の金属層６との距離となる距離Ｄの厚さで、絶縁体（例えばＳｉＮ）の膜７０を成膜する（図２０（Ｂ））。
【００６５】
続いて、形成した絶縁膜７０上に、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、又はナノインプリント等の方法により、幅Ｌの間隔を空けてレジストパターン２２を形成する（図２１（Ａ））。次に、第２の金属層６となる金属膜を、真空蒸着法又はスパッタ法で成膜した後、リフトオフを行う（図２１（Ｂ））。
【００６６】
最後に、第２の金属層６をマスクとして、ウエットエッチング法又はドライエッチング法を用いて、第２の金属層６間の領域にある絶縁膜７０をエッチングする。その際に、エッチング時間を長くすることにより、オーバーエッチング効果によって、絶縁膜７０の端部を第２の金属層６の端部よりも後退させる（図１９が完成図に相当する）。この工程は、最初にドライエッチングで絶縁体層７の端部が金属膜端部と一致するまで加工した後に、ウエットエッチングでオーバーエッチングを行う、という二段階で行ってもよい。二段階で行うほうが、より確実に目的の寸法に加工することができる。これにより、絶縁体層７の端部が第２の金属層６の端部よりも後退したキャビティ構造が形成される。以上の手順によって、電場増強素子１Ｆを作製することができる。
【００６７】
電場増強素子１ＦをＳＥＲＳに適用する場合について説明する。電場増強素子１Ｆは、電場が増強される領域がキャビティ端の解放した部分に位置しているため、ラマン散乱光が効率的に外部に放出されやすく、ＳＥＲＳへの応用に適している。検出対象分子を含む媒体（気体又は液体）中に電場増強素子１Ｆを置くことにより、第２の金属層６の幅Ｌ方向における端部で、絶縁体層７が後退している部分（空気層８）に検出対象分子が進入する。そして、検出対象分子は空気層８に面した第１の金属層４又は第２の金属層６の表面に吸着する。
【００６８】
電場増強素子１Ｆに対して、幅（キャビティ長）Ｌの方向に電場振動成分を有する特定の波長のレーザ光を照射すると、構造体３が表面プラズモン共鳴を引き起こし、誘電体層５内の電場、特に空気層８の電場が増強される。特にキャビティの端部、すなわち絶縁体層７が後退した部分が最も電場が強くなる。シミュレーション結果としては、距離Ｄ＝１０ｎｍ、第２の金属層６の幅Ｌ＝０．４μｍ、絶縁体層７の幅Ｌ’’＝０．３μｍの際に、波長７６０ｎｍにおいて表面プラズモン共鳴が引き起こされた。これによって生じた強電場によって、波長シフトしたラマン信号が増強され、放射される。これを外部に設置した光検出器（後述する）で検出することができる。このようにして、微量な分子でも高い感度で検出することが可能である。
【００６９】
また、電場増強素子１Ｆを電場増強型赤外吸収に適用する場合について説明する。ＳＥＲＳの場合と同様に、絶縁体層７が後退している部分（空気層８）に検出対象分子が進入した状態で、幅（キャビティ長）Ｌの方向に電場振動成分を有する特定の波長の光を照射すると、構造体３が表面プラズモン共鳴を引き起こし、誘電体層５内の電場、特に空気層８の電場が増強される。シミュレーション結果としては、距離Ｄ＝１００ｎｍ、第２の金属層６の幅Ｌ＝１．２μｍ、絶縁体層７の幅Ｌ’’＝１．０μｍの際に、波長５．４μｍにおいて表面プラズモン共鳴が引き起こされた。この共鳴によって検出対象分子による赤外吸収が増強されるので、検出対象分子の有無に伴う変化量を、外部に設置した光検出器（後述する）で検出する。このようにして、微量な分子でも高い感度で検出することが可能である。
【００７０】
上記ＳＥＲＳ及び電場増強型赤外吸収のいずれの適用においても、電場増強素子１Ｆでは最も電場が増強される部分が空気層となっており検出対象分子が当該部分の金属層に吸着することができるので、十分な信号量を得ることができる。
【００７１】
＜分子検出装置＞
上記種々の実施形態における電場増強素子を、光源及び検出器と組み合わせることで、分子検出装置を構成することができる。図２２に示されているとおり、分子検出装置１００は、所定の光を発する光源２００と、電場増強素子１（１Ａ〜１Ｆ）と、所定の光が入射した電場増強素子１から放出される光を検出する検出器３００とを備えている。
【００７２】
光源２００は、ＳＥＲＳの場合は可視光もしくは近赤外光を、電場増強型赤外吸収の場合には赤外光を放射するものである。光源２００から放射された光をプローブ光として、電場増強素子１に集光して照射する。すると、ＳＥＲＳの場合には、波長がわずかにシフトしたラマン散乱光が、電場増強型赤外吸収の場合には反射光が放射されるので、これを検出器３００で検出する。電場増強型赤外吸収の場合には、光源２００と検出器３００を含む光学系は、例えばＦＴＩＲ装置のように一体化された光学系であってもよい。
【００７３】
なお、電場増強素子１に照射する光は、キャビティ長の方向のみに電場が振動する直線偏光光であってもよいし、特定の電場振動成分のない無偏光光であってもよい。また、波長シフトしたラマン散乱光を検出するＳＥＲＳでは、原理上レーザ光が用いられるが、電場増強型赤外吸収においては検出能力が確保されていればレーザ光以外の光であってもよい。
【００７４】
分子検出装置１００は、金属−絶縁体−金属キャビティ構造の表面プラズモン共鳴現象による電場増強効果を、ＳＥＲＳおよび電場増強型赤外吸収に応用した例である。電場増強素子１によれば、微量分子をより効率よく電場増強領域に導くことができるので、これまでよりも更に微量な分子の検出が可能であり、より細かな環境モニタリングや、病原体の早期発見等の利用が期待される。
【００７５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、誘電体層５の構成要素として含まれうる支持体層７が絶縁体である態様を示したが、支持体層７を構成する材料としては第１の金属層４と第２の金属層６との間の導電性を妨げるものであればよく、例えば半導体材料であってもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では構造体３が平面視ストライプ状をなしている態様を示したが、平面視形状は、他の矩形状や円形状に分割された態様としてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、電場増強素子１をＳＥＲＳ及び電場増強型赤外吸収による微量分子の検出に応用することについて述べたが、表面プラズモン現象に伴う電場増強効果を利用する限りにおいて、電場増強素子１は、他の原理に基づく分子検出技術に応用することができる。
【実施例】
【００７８】
以下、電場増強素子による電場増強効果をシミュレートした結果を示す。
【００７９】
第１の実施形態の電場増強素子１Ａについて、ＲＣＷＡ（Rigorous  Coupled  Wave  Analysis（厳密結合波解析））法を用いて電場増強効果をシミュレートした（ソフトウエア：CYBERNET社DiffractMOD）。
寸法：
第２の金属層６の幅Ｌ＝１．０μｍ
第２の金属層６の厚さ＝０．１μｍ
距離Ｄ＝０．１μｍ
支持体層７同士の間隔Ｌ’＝０．８μｍ
【００８０】
幅Ｌの方向に電場の振動成分を有する光を入射させた場合、波長４．７μｍにおいて表面プラズモン共鳴が引き起こされた。このときに観測された垂直方向（第１の金属層と第２の金属層が並ぶ方向）の電場の強さを図２３に示す。図２３は、バックグラウンドの電場の強さを基準とする相対強度を、図示右側に示したバーの濃淡で示している。図２３によれば、第２の金属層６幅方向の端部付近で、電場の増強効果が最も高くなっていることが分かる。
【００８１】
次に、第３の実施形態の電場増強素子１Ｆについて、ＲＣＷＡ（Rigorous  Coupled  Wave  Analysis（厳密結合波解析））法を用いて電場増強効果をシミュレートした（ソフトウエア：CYBERNET社DiffractMOD）。
寸法：
第２の金属層６の幅Ｌ＝１．２μｍ
第２の金属層６の厚さ＝０．１μｍ
距離Ｄ＝１００ｎｍ
絶縁体層７の幅Ｌ’’＝１．０μｍ
【００８２】
幅Ｌの方向に電場の振動成分を有する光を入射させた場合、波長５．４μｍにおいて表面プラズモン共鳴が引き起こされた。このときに観測された垂直方向（第１の金属層と第２の金属層が並ぶ方向）の電場の強さを図２４に示す。図２４は、バックグラウンドの電場の強さを基準とする相対強度を、図示右側に示したバーの濃淡で示している。図２４によれば、第２の金属層６幅方向の端部付近で、電場の増強効果が最も高くなっていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、微量分子の検出において有用である。
【符号の説明】
【００８４】
１（１Ａ〜１Ｆ）…電場増強素子、２…基板、３…構造体、４…第１の金属層、５…誘電体層、６…第２の金属層、７…支持体層（支持体），絶縁体層、７ａ…進入部分、７ｂ…柱部、８…空気層（空洞部）、１５…多孔質の絶縁体層（多孔質な部分）、１００…分子検出装置、２００…光源、３００…検出器、Ｄ…第１の金属層と第２の金属層との距離、Ｌ…第２の金属層の幅、Ｌ’…支持体層同士の間隔。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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