(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の波長と同程度の周期の周期構造の少なくとも一か所に周期性を乱す手段が設けられた構造を有し、
上記周期性を乱す手段は外部から電気的に制御可能であり、
外部から上記周期性を乱す手段を電気的に制御することにより、上記周期性を乱す手段に運動機能または屈折率変化を生じさせ、上記構造に入射する第１の電磁波を少なくとも一つの属性が上記第１の電磁波と異なる第２の電磁波に変換する
ことを特徴とする機能性材料。
【請求項２】
上記周期構造は１次元、２次元または３次元の周期構造であることを特徴とする請求項１記載の機能性材料。
【請求項３】
上記周期構造の周期は電磁波の波長の１／５０〜５０倍であることを特徴とする請求項１記載の機能性材料。
【請求項４】
上記周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、上記周期性を乱す手段は外部から信号を受けて運動機能を発現する物質を含むことを特徴とする請求項１記載の機能性材料。
【請求項５】
上記運動機能を発現する物質は圧電性物質または電気光学効果を有する物質であることを特徴とする請求項４記載の機能性材料。
【請求項６】
上記運動機能を発現する物質の両側面に電界を印加するための導電性物質が形成されていることを特徴とする請求項４記載の機能性材料。
【請求項７】
上記周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、上記周期性を乱す手段は外部から信号を受けて屈折率が変化する物質を含むことを特徴とする請求項１記載の機能性材料。
【請求項８】
電磁波の波長と同程度の周期の周期構造の少なくとも一か所に周期性を乱す手段が設けられた構造を有し、
上記周期性を乱す手段は外部から電気的に制御可能であり、
外部から上記周期性を乱す手段を電気的に制御することにより、上記周期性を乱す手段に運動機能または屈折率変化を生じさせ、上記構造に入射する第１の電磁波を少なくとも一つの属性が上記第１の電磁波と異なる第２の電磁波に変換する
ことを特徴とする機能素子。
【請求項９】
上記周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、上記周期性を乱す手段は外部から信号を受けて運動機能を発現する物質を含むことを特徴とする請求項８記載の機能素子。
【請求項１０】
上記周期構造は互いに対向する一対の面を含む６面からなる立体形状を有し、上記一対の面には上記運動機能を発現する物質に電界を印加するための電極がそれぞれ設けられており、ブロードな波長分布を有する光を上記電極の面にほぼ平行に入射させる際に、上記電極を用いて上記運動機能を発現する物質に電界を印加することにより、透過してくる光の波長を変化させることを特徴とする請求項９記載の機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機能性材料及び機能素子に関し、特に、従来の光学部品に革命をもたらすだけでなく、光を始めとする電磁波や超音波を始めとする音波を扱う分野等、多方面の用途に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されている干渉フィルター等の光学素子は、あらかじめ目的の透過／反射波長域を設定して積層膜を作製するため、後で外部から波長を選択することは全く不可能であった。また、レーザーダイオードにおいても、出射する光の波長を設定して材料設計が行われるのが通常であり、後で外部から波長を選択することは全く不可能であった。一方、波長選択の方法としては、極単純にはプリズム等を用いることが考えられるが、波長及び構成物質の屈折率により光路方向が変わるため、集積化等の点で大きな問題があった。
【０００３】
一方最近では、「フォトニック結晶」という新しい物理概念が生まれて、多くの研究者が興味をもって取り組み始めている。対象としている電磁波での誘電率が、その電磁波の波長程度の周期性（必ずしもマクロスケールでの周期性でなくても５周期程度でも良い）を有している媒質では、これまでの物理概念でいうところの結晶内での電子のバンド構造に類似した、「フォトニック・バンド」を形成することが、大高らによる理論的アプローチによって始めて報告されている（(1)K.Ohtaka,Phys.Rev.B.,19(1979)5057-5067 (2)K.Ohtaka and Y.Tanabe,J.Phys.Soc.Jpn.,65(1996)2276-2284 (3)大高一雄、日本物理学会誌、52(1997)328-335 (4)H.Miyazaki and K.Ohtaka,Phys.Rev.B.,58(1998)6920-6937）。さらに、このようなフォトニック結晶では、特定の波長の光が抑制される「フォトニック・バンドギャップ」の存在がYablonovitch（(5)E.Yablonovitch,Phys.Rev.Lett.,58(1987)2059-2062）とJohn（(6)S.John,Phys.Rev.Lett.,58(1987)2486)により同時期に独立に報告されている。すなわち、簡単に言えば、周期性を目的にあった形で形成しさえすれば、入射光の特定波長を抑制したり、周期性の一部に乱れを挿入してやることにより、特定の波長の光のみを透過させることができるという技術的裏付けがなされたわけである。
【０００４】
この周期性は、積層膜のような１次元だけでなく、球体を面に配置させた２次元構造、さらには、球やサイコロ状の物体を箱に密に積み重ねた３次元構造と、その応用構造は幅が広く、さらに周期性を乱す構造を挿入する場合も、設計目的に合わせて、任意に配置することができるという大きな自由度がある。光を自由に屈折／導波することができることが報告（(7)A.Mekis,J.C.Chen,I.Kurland,S. Fan,P.R.Villeneuve and J.D.Joannopoulos,Phys.Rev.Lett.,77(1996)3787-3790 (8)J.D.Joannopoulos,P.R.Villeneuve and S.Fan,Nature,386(1997)143-149(9)S-Y.Lin,E.Chow,V.Hietala,P.R.Villeneuve and J.D.Joannopoulos,Science,282(1998)274-276) されて、半導体分野への応用（(10)馬場俊彦、池田充貴、神沢尚久、ハンス・ブロム、応用物理、第67巻、第９号 (1998)1041-1045）等、広く研究が開始されている。非常に脚光を浴びている領域であることから最近では、雑誌（(11)日経エレクトロニクス、No.730(1998)57-63)やその他の文献（(12)泉修、川上彰二郎、化学工業、1999年１月号、pp.47-52 (13) 谷内哲夫、金属、Vol.68、No.6(1998)p.26-34)にもわかりやすく取り上げられている。
【０００５】
すなわち、このフォトニクス結晶においては、周期性を乱す異物を入れることによって、大きく光物性を変化させることができることが、理論と実験双方からわかってきたのである。これは、電子のバンド構造において、半導体にキャリアをドーピングするとバンドギャップ中に準位が形成されるのと類似のものである。
【０００６】
後述のように、この発明による機能素子は、誘電体の光の波長程度での周期性を利用した従来の静的な効果を狙った素子とは大きく異なっており、制御性を重視する観点から、中に挿入する異物（＝周期性を乱す物質）に外部からの信号で何らかの物性が変化し得る複合材料及び素子を提供しようとするものである。これまでには、周期性を乱す「異物」あるいは「不純物」のユニークさについて言及したものには、以下のような報告例（(14)谷田貝豊彦、光学、第28巻、第１号（1999)pp.15-21 (15)K.Harada,K.Munakata,M.Itoh,N.Yoshikawa,H.Yonezu,S. Umegaki and T.Yatagai,Jpn.J.Appl.Phys.,37(1998)4393-4396 (16)学振未来開拓学術研究：「次世代人工物質・材料の探査的研究」特集号（第１回公開シンポジウム講演予稿集）平成11年６月15日-16 日（於：理化学研究所）日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業／ニュース第５号（1999）p.60-67)があるが、いずれも静的な物性であり、静的なデバイスのみに言及されており、動的な挙動や制御については一切触れられていないのが現状である。
【０００７】
このように現時点での研究段階では、この理論のさらなる確立とオーソドックスな静的な、あるいは予め設計された構造での実験しか検討されておらず、これらの特性を時間的に変化させようとする工夫はなされていない。なお、上記文献(16)においては異物に非線形物質を用いているが、これは外部制御をするものではない。
【０００８】
さらに、本発明者の知る限りにおいて、この「フォトニック結晶」に関する特許文献としては、特許第２９１８８８１号、特開平１１ー２１８６２７号公報、特開平１０ー２８４８０６号公報、特開平１１ー１８６６５７号公報、特開平１０ー８３００５号公報がある。
【０００９】
しかしながら、これらの文献はこの発明とは殆ど関連性を有していない。すなわち、特許第２９１８８８１号では、半導体活性層内に、周期的酸化状態を形成させることにより、多層反射膜を形成して共振器ミラーとしてレーザー発振させるものであり、この発明と全く異なる。特開平１１ー２１８６２７号公報では、誘電体スラブ光導波路に３角格子状の屈折率変化領域（球状）が設けられていることを特徴とするものであり、フォトニック結晶の極々一部を記述しているに過ぎない。これは、例えば、文献（(17)永山国昭、表面、Vol.31.No.5(1993)353-360）を参照すればわかる。また、この特開平１１ー２１８６２７号公報では、制御性には一切触れられておらず、この発明とは無関係と言える。さらに、特開平１０ー２８４８０６号公報及び特開平１１ー１８６６５７号公報はいずれも、半導体レーザーの外部にフォトニック結晶を設けた形態についてのものであり、やはりこの発明とは異なる。一方、特開平１０ー８３００５号公報については、この発明と関連する内容も含んでいるので、その内容とこの発明との相違点を以下の（１）〜（５）に明確にしておく。
【００１０】
（１）特開平１０ー８３００５号公報では、１６個の請求項のうち１０個の請求項が「フォトニック・バンド端に対応する光の波長が、透過させようとする光の波長の近傍に設定されている」ことを限定している。しかしながら、この発明の特徴は、周期性のあるフォトニック結晶に対して、一部周期性を乱す「異物」を挿入し、かつ、その異物に「運動機能性」や「屈折率変化」を外部からの信号刺激で誘発させることによって、特開平１０ー８３００５号公報に記述されている内容よりもより新規な効果を生み出すことにある。これに対して、この発明では、透過させようとする光の波長が、バンド端近傍に位置している必要は全くなく、透過波長は、異物をどういう形で挿入するかを設定すれば任意に設定可能である。
【００１１】
（２）特開平１０ー８３００５号公報では、周期構成要素として、レジストライン、光ファイバー・コア、回折格子、相分離型ブロック共重合体等、また、周期性を変化させるツールとして超音波等が記述されている。しかしながら、回折格子をフォトニック結晶として用いるためには、表面に刻まれた凹凸溝に対して、入射光が周期性を感じるように光を入射させなければならず、光束の大部分は効果を受けることなく出射されてしまい非効率である。本来であれば、回折格子は、特定の斜入射光を想定しているが、その設計では、干渉フィルターのような解析的な厳密な解を出せないのが実情である（例えば、(18)松田豊稔、奥野洋一、光学、第27巻、第11号（1998）626-631)。したがって、そのような状況下で、仮に回折格子を本来の使用に則した形で、さらにフォトニック結晶へ適用することは、現段階では、その物理的意義は予測が極めて困難と考えられる。このため、「フォトニック・バンドを形成する回折格子」との記述が多用されているが、これは単に非効率な光学配置を規定しているに過ぎない。
【００１２】
また、特開平１０ー８３００５号公報では、超音波を周期性を変えるツールとして考えているが、これは今日良く知られているラマン・ナス散乱と類似のものである。この技術は、現在ある周期性を別の周期性に変えるという点では新規性があるかも知れないが、この発明では、全体の周期性を変えるものではなく、一部を変えるという点が極めて重要な特徴であり、ここに大きな相違点がある。
【００１３】
（３）特開平１０ー８３００５号公報では、「回折格子の表と裏側に金属膜を形成した光機能素子」に関して、５個の請求項が記載されているが、いずれもフォトニック・バンドを形成している回折格子を使用しているとの限定がなされており、上記と同様に、非効率な配置、すなわち表面に刻まれた凹凸溝面と平行な入射光配置を取らねばならないことを意味する。しかしながら、この発明では、このような配置に限定されるものではないし、回折格子をフォトニック結晶として使用する等という限定されるような制約はない。
【００１４】
（４）特開平１０ー８３００５号公報では、最後の請求項に、回折格子にはさまれた形で電気光学材料（外部から電圧が印加される）を使用するアイデアが記されている。しかしながら、これも回折格子という限定枠に入っており、この発明とは、光学配置の点でも大きく異なる（特開平１０ー８３００５号公報の図１５参照）。
【００１５】
（５）特開平１０ー８３００５号公報では、「フォトニック・バンド端の近傍で群速度ｄω（ｋ）／ｄｋが低下して０に近づくことに着目して・・・」との記述があるが（段落番号００２１）、これはバンドギャップが新たに形成される際の境界波長では当然生じる帰結であり、上記文献(1) 〜(6) の範疇に属すると考えられる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
すでに述べたように、これまでに提案された光学素子は、あらかじめ設計された形で提供されるしかなく、その場での外部制御により波長を選択するには、システム全体を動かしたりする必要があり、応答速度が極めて悪かった。
【００１７】
一方、アクチュエータ／運動機能素子の光学部品への応用は、リニアモータや回転等の動きを用いた焦点補正等の極限られた用途しかなかった。
【００１８】
このような背景の下に、非常に小さな動き（割合としては、小さいとは必ずしも言えない）によって、別次元の物理関数を大きく変え、これにより、色調を変化させる人工皮膚の実現や、光通信等の分野に大きく貢献することができる技術が求められていた。
【００１９】
したがって、この発明の目的は、外部からの信号により光の透過波長を変化させることができる機能性材料及び機能素子を提供することにある。
【００２０】
より一般的には、この発明の目的は、外部からの信号により、電磁波の透過波長を変化させたり、入射電磁波を属性の異なる電磁波に変換したりすることができる機能性材料及び機能素子を提供することにある。
【００２１】
この発明の他の目的は、音波の透過波長を変化させたり、入射音波を属性の異なる音波に変換したりすることができる機能性材料及び機能素子を提供することにある。
【００２２】
この発明の他の目的は、外部からの信号により、音波の透過波長を変化させたり、入射音波を属性の異なる音波に変換したりすることができる機能性材料及び機能素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。以下にその概要を説明する。
【００２４】
これまでに述べてきたように、現状の光学素子は、誘電体の光の波長程度での周期性を利用した静的なものに限られている。しかしながら、制御性を重視すると、周期構造中に挿入する「異物」として外部からの信号で何らかの物性が変化し得る物質あるいは要素を用いるのが有効である。本発明者はこの点を十分熟慮し、以下のような結論を得た。
【００２５】
本発明者は、フォトニック結晶を使用する上での最大の利点は、周期性を乱す異物（場合によっては、周期構成物そのものであってもよい）に運動機能を付与し、動的な変化をさせることにより、大きな光学特性の時間的変化を得ることができることであると考えた。なお、ここで異物に与える機能として運動機能を挙げたが、ときには、この機能が誘電率変化であってもよいし、外部入力に対して非線形な反応を示す運動機能材料、あるいは光学機能材料のいずれであってもよい。異物として挿入する運動機能発現物質としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のペロブスカイト型酸化物に代表される圧電性物質や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が好適である。異物として挿入可能な誘電率変化物質としては、電気光学効果やフォトリフラクティブ効果を有する物質群や強誘電性液晶、電界配向性液晶といった液晶関連物質群、それにアゾベンゼン系で代表されるシス・トランス光異性化物質や、スピロピロン系／タングステン酸化物系等で代表されるフォトクロミズム材料群等、それに直接外部からの光の偏光状態に分子が整列する二硫化炭素や尿素関連物質群が好適である。その他運動機能材料としては、大きな変位量が取れる以下の素子等を用いることも十分可能である。
【００２６】
▲１▼高分子ゲル
▲２▼形状記憶合金
▲３▼水素吸蔵合金
▲４▼流体圧利用素子
▲５▼静電気利用素子
▲６▼磁歪素子
▲７▼光／光圧電素子
さらに、無機・有機複合材料、例えば層状酸化物に有機アミンをインターカレートしたような物質群等も、そのＣ軸長変位の観点から十分な運動機能材料と見なせる訳であり、今後の有力候補の一つである。
【００２７】
上記した技術は、無機・有機複合材料以外は、いずれも今日一般に広く知られているものである。
【００２８】
図１に上記アクチュエータのいくつかの種類の特性表をまとめて示す。なお、図１に記載した値は、今日知られている典型的なものであり、若干の幅が存在することは言うまでもない。図１において、インターカレーション物質の電界による変位の値は、理論的推定値である。
【００２９】
アクチュエータの特性で最も重要な物性値として、変位量（伸縮割合）、発生力（耐圧）、応答速度（制御速度）がある。これらの三つの特性を同時に満足させる、すなわち、変位量の増加と発生力の増加、さらに応答速度の短縮化を図ることができれば、今後の材料／デバイスへ向けて大きな進歩となるが、図１からもわかるように、現状では容易なこととは言えない。ただし、運動機能素子の使い方次第であるので、これらの全てが候補であることに変わりはない。そうした中で、変位量と応答速度に優れているであろうと考えられる無機・有機複合材料であるインターカレーション化合物群は未開拓材料であるということもあり、有望である。
【００３０】
ここで比較のため、考えられる九つの方式それぞれの特徴を以下に簡単に説明しておく。
【００３１】
圧電セラミックスでは、発生力と高速応答性に関しては問題ないが、伸縮の割合が、０．１％程度に止まっている。実際には、その高速性が超音波技術と融合して、今日、超音波診断や魚群探知器、超音波モーター等で使用されているが、伸縮量を利用したものは、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の針の位置決めに用いられる高精度アクチュエータ等、極少数の応用に限られている。
【００３２】
高分子ゲルでは、伸びは数１０％からさらに数１００％に迫るものもあるが、逆に発生力が著しく低く、重い荷重のものを動かすことは困難である。さらに、伸縮の制御が必ずしも容易ではないのが通例である。また、高分子を基調に構成されているため熱に極めて弱いことが大きな弱点であり、環境に大きく左右される状況である。
【００３３】
形状記憶合金は、低温で変形を与えた後加熱すると、元の形状に回復するもので、原理的に熱弾性型マルテンサイト変態する材料である。したがって、非可逆な塑性変形とは異なっているものの、その使用においては熱の高低が必要な点、格子による双晶歪を使うため、大きな変位が期待できない等の欠点がある。
【００３４】
水素吸蔵合金は、可逆性があるものの、原子状水素の粒界拡散による吸蔵反応を利用するものであり、その環境温度と応答性に難がある。さらに反応熱の除去が最大の課題であり、小さなアクチュエータを目指す候補としては現実的とは言い難いのが実情である。
【００３５】
流体圧を利用したものは通例、ゴムと繊維との複合素材でできており、その伸縮性を利用して、空気圧ないし液体圧で駆動させている。アナログ的な運動には最適と思われるが、微細な加工がしにくいことがあり、小型化・集積化という点で課題が残る。
【００３６】
静電気利用素子では、主としてこれまでに発展してきた半導体シリコンの微細化プロセスを応用したものが多く、文字通り静電気によるクーロン力を利用している。そのため、微細化には非常に好適であるが、発生力の点で若干問題が残る。一番の課題は信頼性であり、摺動部があるため経時変化の可能性が高い。また、環境が作り出す静電気に弱いという難点もある。
【００３７】
磁歪素子は、一般的に超磁歪効果を用いたものを意味し、室温において１０-3程度の歪を持つ素材（例えば、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ合金）が知られている。圧電素子と比べても変位量、発生力、質量の小ささいずれの点においても有利である。しかしながら、その致命的な欠点は、素子駆動に外部磁場が必要であるという点である。磁気回路を素子近傍にうまく作り込む技術が課題である。このようなことから、電圧駆動の圧電素子と比較し、微小化・高密度化に難があると言える。
【００３８】
光アクチュエータに関しては、例えば光起電力効果を示すＰＬＺＴ等が知られている。これは、光照射によるその焦電性から起電力が発生し、それに伴い逆圧電効果が現われ、結果的に歪む現象である。非接触駆動という利点を有するが、焦電性を介しての逆圧電による変位であるため、大きな変位は期待しにくいし、また変位を誘導するためのポーリング措置が必要などプロセス上の課題もある。ただ、ピエゾ材料同様、酸化物であり、素子として構築しやすいという決定的な利点を有していることは重要である。
【００３９】
インターカレーション物質に関しては、溶液駆動方式であれば、配向膜使用ができればという条件付きながら、相当な変位量（４〜５倍以上）を想定できるが、応答速度に難点がある。一方、電界駆動であれば、変位量は１０〜２０％程であるが、応答速度はピエゾ材料並みに速い可能性があり、興味ある材料と言える。
【００４０】
ここで、これまでに出願されたインターカレーション関連の材料・デバイスについて簡単に説明する。まず最初に、インターカレーション物質を用いた変位素子についてこれまでに出願されたものとしては、
・特開平０５−１１０１５３号公報
・特開平０６−１２５１２０号公報
がある。これらの出願では、層状物質へ有機材料を挿入した物質に外部から電界を印加して、挿入された有機物質の配向角度を変化させることによる変位素子が記載されている。しかしながら、フォトニック周期構造体に適用することに関する記述は何ら認められない。
【００４１】
その他、インターカレーションとアクチュエータとを組み合わせた素子を提案したものとしては、本発明者の知る限りにおいては、
・特開平０２−１３１３７６号公報
・特開平０４−１２７８８５号公報
がある。これらの素子は、双方共に、インターカレーション反応に起因する体積膨張を駆動力としている。特開平２−１３１３７６号公報は電解質であるポリエチレンオキサイドを黒鉛層間化合物でサンドイッチした構造であり、その層間をＬｉが輸送されることにより屈曲が生じるもので、一方後者の特開平４−１２７８８５号公報は、正／負極にＡｇ0.7 Ｖ2 Ｏ5 を用い、固体電解質に４ＡｇＩ−Ａｇ2 ＷＯ4 を用いた系である。そのいずれにおいても、有機分子の挿入を原動力とする駆動方法ではなく、無機骨格にイオンを出し入れしようとするものである。しかしながら、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。勿論、ここで記述された物質群は、この発明に適用することが可能である。
【００４２】
次に、無機・有機インターカレーション物質についてこれまでにされた出願の状況を以下に概観して簡潔にコメントする。
【００４３】
（１）液晶関連のインターカレーション物質
粘土鉱物等の無機層状化合物に有機物質を挿入させた新規な光位相差板やそれを用い液晶表示装置についての出願として、
・特開平０５−１９６８１９号公報
・特開平０６−８２７７７号公報
・特開平０６−８２７７９号公報
があるが、変位に関しては言及されておらず、また、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００４４】
（２）複合材料のインターカレーション物質
粘土鉱物等の無機層状化合物と、有機材料の複合化技術（インターカレーションを含んでいるのかどうか不明ではある）について、コート材、成型材、樹脂へのフィラー材等、いわゆる耐熱・構造材料への応用についての出願として、
・特開平０６−２０００３４号公報
・特開平０７−１２６３９６号公報
・特開平０８−１２８９９号公報
・特開平０８−４１０９１号公報
・特開平１０−２６４２９１号公報
・特開平１１−７１４６５号公報
・特開平１１−９２５９４号公報
・特開平１１−９２６７７号公報
・特開平１１−１０６６７０号公報
・特開平１０−２５９０１６号公報
・特開平１０−２５９０１７号公報
・特開平１０−３１０４２０号公報
があるが、光や変位については言及されておらず、また、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００４５】
（３）フォトクロミズム関連の材料のインターカレーション物質
ハイドロタルサイト型粘土鉱物を中心とした無機層状化合物に有機物質をインターカレートさせた新規なフォトクロミズム現象を応用した技術に関する出願として、
・特公平０４−１６７７６号公報
・特開昭６３−２５１４９０号公報
・特開平０２−２６４２４６号公報
・特開平０６−９５２８８号公報
・特開平０６−９５２８９号公報
・特開平０６−９５２９０号公報
・特開平０６−１４８７９１号公報
・特開平１１−７１３８８号公報
・特開平０６−４８７４２号公報
がある。これらの中には、光記録材料としての観点から、スピロピラン系有機材料のフォトクロミズム効果において、色変化の安定性や耐久性向上を狙ったもの等がいくつか見られるものの、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００４６】
なお、フォトクロミズムとは、紫外線などが照射されると構造が変化して、結果的に色が変化し、これに別の波長（例えば可視光）の光が当たる、あるいは熱を加えると、元の構造に戻ることにより色も元に戻る現象を言う。
【００４７】
（３）エレクトロクロミズム関連の材料のインターカレーション物質
・特開平１０−２０６９０７号公報
・特開平１０−２３９７１４号公報
が出願されているが、いずれも変位素子としての記述はなく、かつ、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００４８】
（４）層状発光物質関連の材料のインターカレーション物質
・特開昭６３−２５１４９０号公報
・特開平０５−３２４１２号公報
・特開平０９−３１００６５号公報
が出願されているが、いずれも変位素子としての記述はなく、かつ、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００４９】
（５）電磁波吸収材関連の材料のインターカレーション物質
・特開平０８−５３５７１号公報
が出願されているが、変位素子としての記述はなく、かつ、フォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００５０】
ところで、インターカレーションという現象を指す言葉は実に広く用いられており、上述したような無機骨格への有機鎖の挿入に止まらない。例えば、エレクトロクロミック素子においては、遷移金属酸化物へのリチウムの挿入による色調変化を応用したものがあり、
・特開昭５７−２０８５３４号公報
・特開昭５７−２０８５３５号公報
・特開昭５７−２０８５３６号公報
・特開昭５７−２０８５３７号公報
などがその一例である。
【００５１】
コンデンサー構造の一端の電極作製に、このインターカレーション反応を利用した試みが報告されており、
・特許第１８６０１３号
・特許第１９４９２３５号
・特開昭６２−１８１４１３号公報
がそれである。
【００５２】
Ｌｉ電池の原理に似た全固体型電圧記憶素子の工夫が、インターカレーション反応を利用した形で出願されており、
・特開平０４−３４８６４号公報
・特開平０４−３４８６６号公報
・特開平０４−３４８６８号公報
・特許第２７３４７４７号
がそれである。
【００５３】
光インターカレーション反応（光照射に伴って、インターカレーションが起こったり、逆にデインターカレーションが生じたりする現象）についても出願があり、
・特開平０４−３１９５４５号公報
・特許第２７１５２３３号
・特開平０７−５６１９５号公報
・特開平０７−５６１９６号公報
がそれである。
【００５４】
材料自身の特許としては、Ｈ2 Ｔｉ5 Ｏ11ｎＨ2 Ｏについての
・特許第１９３６９８８号
があり、吸着剤への応用等が期待されているに過ぎない。吸着剤や触媒関連では、その他に、ＫＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10等の無機骨格と有機鎖のインターカレーションに言及した
・特許第２６５３８０５号
・特許第２６５６７７８号
・特許第１９８４６１２号
・特開平０８−２５９２０８号公報
などがある。
【００５５】
非線形光学への応用を考慮した出願として、
・特開平０４−１６８４２９号公報
があり、光記憶媒体としてＶ2 Ｏ5 を用いた出願として
・特許第１７０８７３５号
もある。
【００５６】
光触媒的効用を狙った材料特許も存在し、
・特許第２６８１０３０号
がある。
【００５７】
アミンとチタン酸アルカリの層間化合物に関しては、
・特許第１５７９０３１号
・特許第１３６７２３５号
・特開昭６２−１００４１１号公報
があるが、変位に関しては記述されておらず、このような応用へのアイデアはまだ知られていない。
【００５８】
また、液晶を用いたアクチュエータ素子に関する出願として、
・特開平０３−５７２０号公報
・特開平０３−７０７９号公報
・特開平０６−３２４３１２号公報
・特開平０９−２７７５１８号公報
がある。これらの文献に示した液晶はいずれも電界操作により駆動するものであるが、この発明のようなフォトニック結晶への導入に関しては全く言及されていない。
【００５９】
このように、以上に挙げた出願ではいずれも「フォトニック周期性結晶へ異物を導入して制御する技術的思想」については、微塵も触れられていない。
【００６０】
以上では光やマイクロ波等の電磁波の特徴である横波を扱う素子について説明したが、次に、音波等の縦波を変調可能な構造について説明する。なお、音波等は媒質が異なれば当然速度が異なる。これから説明する装置は、基本的には空気中で使用可能なものであるが、水等の液中に入れて使用することも可能である。まず、音波と電磁波との相違について簡単に説明を行う。音波は通常の空気中では、約３４０ｍ／ｓの伝播速度であるが、電磁波の伝播速度は、それよりも９０万倍も速い３×１０8 ｍ／ｓである。例えば、超音波洗浄や超音波加工等に使用されている２０ｋＨｚから２００ｋＨｚ程度の低周波超音波は、周波数で比較すると、電磁波の短波よりも波長の長い長波（ＬＦ）に相当する。逆に低周波超音波を同じ波長で比較するとマイクロ波（ＳＨＦ）に相当する。このような差は、音波の伝播速度と光速との著しい差に由来する。例えば、周波数１ＭＨｚの超音波では、その波長は空気中で０．３４ｍｍである。一方、電磁波では同じ周波数で３００ｍもある。周期構造体の周期が電磁波や音波の波長程度（１／５０〜５０倍、典型的には数分の１から数倍）であれば、超音波では、ｍｍサイズ以下ミクロン、あるいはサブミクロンまでの範囲の周期構造が想定できる。一方、オーディオ室や無響音室等は、人間の可聴音域を対象としているので、数ｃｍ程度から数ｍの波長であり、その長さに対応した凹凸の壁面構造をしており、これらの考えは、この発明の思想の流れとも一致している。したがって、縦波音波の対応域を超音波領域に限定すれば、ｍｍサイズ以下ミクロン、あるいはサブミクロンまでの範囲の周期構造を考えれば良いことになる。
【００６１】
さて、横波の電磁波である可視光線が屈折率の周期的変化（誘電率の周期的変化と考えた方が一般的）を必要とすることはこれまでに述べてきた。一方、音波はどんな物理量の周期的変化を必要とするのであろうか。ここで音速をＶ［ｍ／ｓ］、圧力をＰ［Ｎ／ｍ2 ］、密度をρ［ｋｇ／ｍ3 ］とすると、空気中での音速は
Ｖ＝（ｒ・Ｐ／ρ）1/2 
で与えられる。また、密度と温度との関係は一般に
ρ0 ＝ρT （１＋Ｔ／２７３）
なる式で近似される。
【００６２】
これらの２式から温度Ｔ［℃］での音速は以下のような式で表わされる。
【００６３】
Ｖ（Ｔ）＝３３１．５＋０．６０７１４Ｔ
すわなち、音波は環境温度で変化する。温度が低い所（１）から高い所（２）へ音波が入ると、屈折の法則により、
ｓｉｎθ1 ／ｓｉｎθ2 ＝Ｖ1 ／Ｖ2 
であるから、Ｖ2 ＞Ｖ1 であるため、音波は、低温と高温の境界面に近い方向へ屈折する。一般に音波は、気体中よりも液体中の方が速く、液体中よりも固体中の方がさらに速く伝播する。例えば、水では、１４８０ｍ／ｓ、鉄では５１８０ｍ／ｓである。このような著しい伝播速度の差は、空気中から水中への入射、あるいは水中から固体中への入射において、垂直入射から少しでも入射角度を傾けると全反射されてしまう可能性が大きいことを意味する。ここが光の屈折とは大きな違いである。結論として、密度の低い所から密度の高い所へ超音波が入射した場合には、その屈折の方向は、境界面に近い方へ曲がることになる。すなわち、空気を基準に考えると水の屈折率は音波では１以下となる。光では全く逆であることと対照的である。このような違いはあるものの、音波は、波としての性質は同じに扱える訳である。周期的疎密媒体（光では周期的屈折率変化媒体に相当する）に対しては、光のフォトニック・バンドギャップに相当する「ウルトラサウンド・バンドギャップ」が存在する。同時にまた、特定周波数の音波だけを透過する波長選択性や、さらには方向変更、指向性向上なども期待できる。
【００６４】
参考のために、波長を中心に比較した電磁波と音波との相違を図２にまとめて示す。
【００６５】
この発明は、本発明者による以上の検討に基づき、さらに検討を加えた結果、案出されたものである。
【００６６】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
電磁波の波長と同程度の周期の周期構造の少なくとも一か所に周期性を乱す手段が設けられた構造を有し、
上記周期性を乱す手段は外部から電気的に制御可能であり、
外部から上記周期性を乱す手段を電気的に制御することにより、上記周期性を乱す手段に運動機能または屈折率変化を生じさせ、上記構造に入射する第１の電磁波を少なくとも一つの属性が上記第１の電磁波と異なる第２の電磁波に変換する
ことを特徴とする機能性材料である。
【００６７】
また、この発明の第２の発明は、
電磁波の波長と同程度の周期の周期構造の少なくとも一か所に周期性を乱す手段が設けられた構造を有し、
上記周期性を乱す手段は外部から電気的に制御可能であり、
外部から上記周期性を乱す手段を電気的に制御することにより、上記周期性を乱す手段に運動機能または屈折率変化を生じさせ、上記構造に入射する第１の電磁波を少なくとも一つの属性が上記第１の電磁波と異なる第２の電磁波に変換する
ことを特徴とする機能素子である。
【００６８】
第１および第２の発明においては、例えば、外部から周期性を乱す手段を制御することにより、その周期性を乱す手段に運動機能または屈折率変化を生じさせる。あるいは、外部から周期性を乱す手段を制御することにより、上記構造に入射する第１の電磁波を少なくとも一つの属性が第１の電磁波と異なる第２の電磁波に変換する。この属性は、電磁波の進行方向、波長、強度、偏波方位、空間コヒーレンス、波長コヒーレンス等である。周期構造は１次元、２次元または３次元の周期構造のいずれであってもよい。この周期構造の周期は一般には電磁波の波長の１／５０〜５０倍、典型的には、電磁波の波長の数分の１〜数倍、例えば１／５〜５倍である。この周期構造は、例えば、同一の要素を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、周期性を乱す手段はこの要素と異なる要素からなる。より具体的には、例えば、この周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、周期性を乱す手段はこれらの物質と異なる物質からなる。さらに、例えば、この周期構造は、基板上に印刷により形成されたドット群からなるものであってもよい。
【００６９】
特に、扱う電磁波が光である場合、例えば、上記の周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、周期性を乱す手段は外部から信号を受けて運動機能を発現する物質を含む。この周期構造を構成する物質は典型的には誘電体である。この誘電体は、具体的には、例えば、ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＣｅＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、Ｓｉx Ｏy 、ＴｈＯ2 、ＳｎＯ2 、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＺｎＯ、Ｌａ2 Ｏ3 、Ｎｄ2 Ｏ3 、Ｓｂ2 Ｏ3 、Ｂｉ2 Ｏ3 、Ｐｒ6 Ｏ11、Ｔｉx Ｏy 、ＣａＯ、ＳｒＴｉＯ3 等の酸化物や、ＭｇＦ2 、ＣｅＦ3 、ＬａＦ3 、ＮｄＦ3 、ＰｂＦ2 、ＮａＦ、Ｎａ3 ＡｌＦ6 、ＬｉＦ、ＣａＦ2 等のフッ化物、あるいは、これらの酸化物間、フッ化物間の固溶体、さらに、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、Ｓｂ2 Ｓ3 等のカルコゲナイド化合物、あるいはＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ等の半導体単体ないしその固溶体、さらには、これらの物質群から選ばれた二種類以上の物質からなる。また、運動機能を発現する物質は、例えば、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3 （通称ＰＺＴ）、（ＰｂＬａ）（ＺｒＴｉ）Ｏ3 （通称ＰＬＺＴ）、ＢａＴｉＯ3 、（ＢａＳｒＣａ）（ＴｉＺｒＳｎＨｆ）Ｏ3 、ＰｂＴｉＯ3 等のペロブスカイト型圧電性物質、あるいは、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等のイルメナイト型圧電性物質、また、Ｂｉ12ＳｉＯ20、Ｂｉ12ＧｅＯ20、Ｂｉ12ＴｉＯ20、ＫＤＰ、Ｋ（ＴａＮｂ）Ｏ3 、（ＳｒＢａ）Ｎｂ2 Ｏ6 、あるいは、ＺｎＯやそれに若干のＭｇが固溶した（ＺｎＭｇ）Ｏ等の圧電性物質、さらには、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、これらの半導体に微量の活性金属イオンがドープされたもの等の対称中心を有しない半導体材料である。
【００７０】
上記の運動機能を発現する物質はホスト・ゲスト型無機有機複合物質であってもよい。例えば、このホスト・ゲスト型無機有機複合物質においては、ホストが無機層状物質であり、その母体物質は以下の物質系である。
【００７１】
（１）層状ペロブスカイト・ニオブ系
ＫＬａＮｂ2 Ｏ7 、ＫＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＲｂＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＣｓＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＫＮａＣａ2 Ｎｂ4 Ｏ13
（２）層状ペロブスカイト銅系
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10
（３）層状チタン・ニオブ酸塩
ＫＴｉＮｂＯ5 、Ｋ2 Ｔｉ4 Ｏ9 、Ｋ4 Ｎｂ6 Ｏ17
（４）層状岩塩酸化物
ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2 
（５）遷移金属酸化物ブロンズ系
ＭｏＯ3 、Ｖ2 Ｏ5 、ＷＯ3 、ＲｅＯ3 
（６）遷移金属オキソ塩化物
ＦｅＯＣｌ、ＶＯＣｌ、ＣｒＯＣｌ
（７）層状ポリケイ酸塩
Ｎａ2 Ｏ−４ＳｉＯ2 −７Ｈ2 Ｏ
（８）層状粘土鉱物
スメクタイト、バーミキュライト、マイカ雲母等
（９）ハイドロタルサイト
Ｍｇ6 Ａｌ2 （ＯＨ）16ＣＯ3 −Ｈ2 Ｏ
（10）遷移金属カルコゲナイド
ＴａＳｅ2 、ＴａＳ2 、ＭｏＳ2 、ＶＳｅ2 
（11）リン酸ジルコニウム塩
Ｚｒ（ＨＰＯ4 ）2 ｎＨ2 Ｏ
（12）グラファイト
Ｃ
第１および第２の発明においては、例えば、上記の運動機能を発現する物質の両側面に電界を印加するための導電性物質が形成される。この導電性物質としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ4 透明導電性材料）を用いることができる。また、例えば、この運動機能を発現する物質は周期構造を構成する物質と屈折率が異なっていることもあるし、同一であることもある。一つの例では、Ａを導電性物質からなる薄膜、ＢをＡと屈折率が異なる圧電性物質または電気光学効果を有する物質からなる薄膜、ＣをＡおよびＢと屈折率が異なる常誘電体からなる薄膜としたとき、上記構造はＡＢＡＣの順で積層された部分を含む。さらに、上記構造は導電性物質からなる薄膜とこの薄膜と屈折率が異なる圧電性物質または電気光学効果を有する物質からなる薄膜とが周期的に積層された部分を含むこともある。
【００７２】
さらに、第１および第２の発明においては、例えば、周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、周期性を乱す手段は外部から信号を受けて屈折率が変化する物質を含む。この屈折率が変化する物質は極性有機物質、液晶材料、例えば電界配向性液晶材料、尿素およびその関連物質、二硫化炭素およびその関連物質などである。より具体的には、例えば、屈折率が変化する物質はスピロピラン系化合物、ＷＯ3 系エレクトロクロミズム関連物質、あるいは、ＬｉＮｂＯ3 ：Ｆｅ、ＢａＴｉＯ3 ：Ｃｅ、ＳｒＴｉＯ3 ：Ｆｅ等のフォトクロミズム無機酸化物等である。一方、バンド間遷移によって発光する物質を周期構造の内部に含有する材料であって、その周期構造は、電磁波の波長（励起光の波長、あるいは発光波長）と同程度であり、外部より励起光を入射した際に、その波長域で概略透過する周期構造であり、その励起光が発光物質に照射されるようになっており、その発光物質の電子遷移が基底状態から励起状態へ遷移するが、発光遷移する発光波長に対しては、その周期構造はフォトニック・バンドギャップを形成していることにより、発光物質の発光遷移そのものが禁制状態となっている状態が維持されており、その状態における任意の時間に外部からの制御光により発光物質以外の周期構成物質の形状が変化、あるいは歪むことにより、その周期性が乱されることにより、発光物質が感じるフォトニック場が変化して、ギャップ内部に鋭い透過波長（後述のモバイル・ピーク）のウインドウが開き、その発光物質のモバイル・ピークの波長のみが発光遷移を許容されるような、時間設定可能な波長選択発光材料もある。
【００７３】
第１および第２の発明においては、例えば、周期性を乱す手段は光照射または電界印加により変形する物質、例えばＰＬＺＴであることもある。
【００７４】
また、第１の発明による機能性材料は、例えば、フレキシブルな基板やシリコン基板などの上に形成されて人工表皮、例えば人工皮膚を構成することもある。また、この機能性材料が基板上に互いに分離して２次元的に周期的に形成されて人工表皮を構成し、一部の機能性材料が外部からの信号に対して変形するようにすることもできる。
【００７５】
第２の発明においては、例えば、基板上に周期的に形成された突起群により周期構造が形成された一対の機能素子をそれらの突起群を内側にして互いに対向し、かつ可動に配置することもできる。これらの機能素子の相対移動により、突起群同士が互いに食い込むようにすれば、周期構造の周期を実効的に変化させることができる。また、他の例では、基板上に周期的に配置された圧電素子群により周期構造が形成され、選択された圧電素子が外部からの信号を受けて反り返るように構成される。また、例えば、周期構造は２種類以上の物質を積層、配置または組み上げることにより形成されたものであり、周期性を乱す手段は外部から信号を受けて運動機能を発現する物質を含む。具体的には、例えば、記周期構造は互いに対向する一対の面を含む６面からなる立体形状を有し、この一対の面には運動機能を発現する物質に電界を印加するための電極がそれぞれ設けられており、ブロードな波長分布を有する光を電極の面にほぼ平行に入射させる際に、これらの電極を用いて運動機能を発現する物質に電界を印加することにより、透過してくる光の波長を変化させる。
【００７６】
この発明の第３の発明は、
音波の波長と同程度の周期の周期構造を有する
ことを特徴とする機能性材料である。
【００７７】
この発明の第４の発明は、
音波の波長と同程度の周期の周期構造の少なくとも一か所に周期性を乱す手段が設けられた構造を有する
ことを特徴とする機能性材料である。
【００７８】
この発明の第５の発明は、
音波の波長と同程度の周期の周期構造の少なくとも一か所に周期性を乱す手段が設けられた構造を有し、
周期性を乱す手段は外部から制御可能である
ことを特徴とする機能性材料である。
【００７９】
第３、第４および第５の発明においては、例えば、周期構造に入射する第１の音波を少なくとも一つの属性が第１の音波と異なる第２の音波に変換する。この属性は、音波の進行方向、波長、強度、空間コヒーレンス、波長コヒーレンスなどである。周期構造は１次元、２次元または３次元の周期構造のいずれであってもよい。また、周期構造の周期は一般的には音波の波長の１／５０〜５０倍、典型的には音波の波長の数分の１〜数倍、例えば１／５〜５倍である。音波は、典型的には、超音波である。この周期構造は、例えば、同一の要素を積層、配置または組み上げることにより形成されたものである。具体的には、例えば、この周期構造は、基板上に印刷により形成されたドット群や糸状の物質、例えばゲル等からなる。特に、第４の発明においては、周期構造は基板上に印刷により形成されたドット群からなり、周期性を乱す手段は基板上に印刷により形成された上記ドットと異なる物質からなるドット群からなり、あるいは、周期構造は糸状の物質からなり、周期性を乱す手段はこの物質と異なる糸状の物質からなる。この周期構造は基板上に周期的に配置されたペルチェ素子群からなることもある。
【００８０】
特に、第５の発明においては、例えば、外部から周期性を乱す手段を制御することにより、その周期性を乱す手段の近傍の気体、例えば空気の密度の変化を生じさせる。そして、外部から周期性を乱す手段を制御することにより、上記構造に入射する第１の音波を少なくとも一つの属性が第１の音波と異なる第２の音波に変換する。これだけに止まらず、より一般的には、外部から周期性を乱す手段に運動機能を与えて周期性を乱すことを根本にした上で、気体の密度、さらには液体の密度や固体の密度、加えて気体＋液体／液体＋固体／固体＋気体という周期において、いずれか片方の密度を変調する場合もある。
【００８１】
上述のように構成されたこの発明の第１および第２の発明においては、外部信号により、上記の周期構造を透過する電磁波の波長や出射方位、そのコヒーレンスなどを制御することが可能であり、その波長は、周期構造の周期によりで任意に選択することができる。すなわち、例えば、数百ｎｍの周期とすることで、可視領域の光を制御することができるし、さらにμｍ程度の周期にしてやれば、マイクロ波を制御することができる。さらに、この発明の第３、第４および第５の発明においては、縦波である音波に対しても同様な作用を得ることができ、周期構造に挿入する周期性を乱す手段あるいは異物の密度を変化させてやれば、音波の周波数や方向等の制御が可能である。
【００８２】
この発明による機能性材料および機能素子によれば、周期性を乱す手段あるいは異物の非常に小さな動きによって、別次元の物理関数を大きく変えられる利点があり、これにより、色調を変化させる人工皮膚の実現や、光通信等の分野に大きく貢献できると考えられる。
【００８３】
周期構造に周期性を乱す「異物」を挿入する場合、その異物を制御するやり方として、直接電極を異物に接触させる方式と、外部からレーザ光等の強電界を有する光／電磁波を入射させる方式と、外部から超音波を照射する方式との３通りが考えられる。ここで、外部から超音波を照射する方式では、例えば、異物にＰＺＴを用いると、外部から超音波がＰＺＴに照射されると振動を起こすため、その周期に合った形で透過波長が特定の波長間をその振動数で往復運動することになる。
【００８４】
なお、周期構造物質の少なくとも１種を被制御物質として考えることも当然可能である。つまり、例えば、周期構造の構成要素としてＰＺＴ等の運動機能素子を考え、その素子が外部からの電界や超音波で全体運動を起こすというものである。これは、透過波長をシフトさせるのではなく、フォトニック・バンドギャップ端の波長（＝エネルギー）を変化・変調させるものである。
【００８５】
ここで、異物の両側に電極を配置する電界印加方式で考えられる一般的な効果を以下に箇条書にして示す。
【００８６】
（１）電界ベクトルは、異物の極性方位、あるいは圧電性結晶軸と平行に選ばれることが好ましい。入射光の進行方向と電界印加方向との関係は、中の異物の軸性に依存するため、任意の設計が可能である。例えば、異物の圧電性軸が入射光の進行方向と平行であれば、電界印加方向のそれとおおよそ平行であることが好適であり、異物の圧電性軸が入射光の進行方向と垂直であれば、電界印加方向も入射光軸に対しておおよそ垂直であることが好適である。
【００８７】
（２）電極材料の選択によって、いろいろな機能性をさらに付与することができる。例えば、ＩＴＯのような透明導電性膜と金属膜とでは、消衰係数が異なることにより、結果的に誘電率が異なるため、新たな設計を用いて、機能性を向上させられる余地がある。
【００８８】
（３）直接電極を配備していることにより、効率良く電界強度を高めることが可能であり、結果として高効率な駆動が可能となる。
【００８９】
（４）制御系も含めて、全固体にすることができることから、コンパクトにすることが可能である。
【００９０】
一方、光照射をして機能性を発揮させる場合の一般的な利点として、以下のような点が考えられる。
【００９１】
（１）駆動部分を任意に選択することができる。
【００９２】
（２）電極や配線等の複雑な周辺備品の必要性がない。
【００９３】
（３）閉鎖空間に置かれた駆動素子を外部からレーザ光照射で直接狙い撃ちすることで内部素子を駆動させることができる。
【００９４】
また、偏光の電界強度により有機鎖の配向変化を利用した機能発現方式では、以下の点が特徴である。
【００９５】
（１）照射光の偏光方向で材料の伸縮を起こさせるため、極めて制御性が簡潔容易である。
【００９６】
（２）二つの偏光子（ポラライザーとアナライザーと通称呼ばれている）を互いに直交させた状態（通常、この配置をクロスニコル配置と呼ぶ）にしておき、その間に無機・有機インターカレーション材料を配置（積層方向を光軸とほぼ揃った状態にして）した光学アライメントにおいて、ポラライザーを透過した第１の入射光の偏光状況を、第１の光軸とはほぼ直角な方向、すなわちインターカレーション材料においては、積層方向とは垂直な所謂ａ−ｂ面に沿った方向から第２の直線偏光性の強い光線を入射させてることにより、容易に第１の光線の透過光の偏光状態を変化させ、アナライザー透過光の光強度を極めて簡単に変調させることが可能である。このような効果はオプティカル・カー効果と呼んでいるが、従来は液晶を含む液体状態のものが多く知られており、また固体では原子位置を偏光による電界だけでは大きな変位が期待できなかったことから、殆ど実際に使用できるレベルでの報告はなされていないのが現状である。
【００９７】
一方、波長の長短での効果は、異物の屈折率を変化させるのに役立ち、以下の長所がある。
【００９８】
（１）インターカレートした有機物質の構造を変化させる方式であることから、屈折率変化効果がある。
【００９９】
（２）２波長制御であることから、外部環境光のノイズ低減が可能。
【０１００】
また、簡単な光波長選択が可能であることから、光素子に止まらず、衣服、カバー、特殊コーティングやエンターテインメント分野においても有用な材料となる。
【０１０１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１０２】
まず、この発明の第１の実施形態による光機能素子について説明する。
【０１０３】
周期構造体の周期は、変調制御しようとする電磁波のような横波や音波のような縦波の波長によることは前述した。ここでは、横波電磁波の一波長域である可視光の波長域に対する１次元周期構造体を例に説明する。この説明は、２次元周期構造体および３次元周期構造体に拡張することができることは、言うまでもない。
【０１０４】
まず、図３に示すように、二種類の物質が交互に周期的に積層された多層膜からなる１次元周期構造体を考える。ここでは、一方の物質をＳｉＯ2 （可視域全域で屈折率＝１．４６と近似する）、他方の物質をＴｉＯ2 （可視域全域で屈折率＝２．３０と近似する）と仮定する。これらのＳｉＯ2 およびＴｉＯ2 をそれぞれ符号１、２で示す。
【０１０５】
これらの二種類の物質は、可視域では概ね透明であることは周知の事実であるが、これらの物質が特定の厚さで積層されるとある波長領域で透明でなくなる場合があることをまず示す。今、想定する参照波長を可視域の５５０ｎｍと仮に決めておく。そして次に、１／４波長の厚さに二種類の物質を積層することを考える。ここで、物質Ｊの厚さをｄ（Ｊ）、屈折率をｎ（Ｊ）としたとき、以下の関係を満たすものとする。
【０１０６】
ｎ（Ｊ）ｄ（Ｊ）＝５５０÷４
ｎ（ＳｉＯ2 ）＝１．４６、ｎ（ＴｉＯ2 ）＝２．３０であるから、この式より、ｄ（ＳｉＯ2 ）＝９４．２ｎｍ、ｄ（ＴｉＯ2 ）＝５９．８ｎｍとなる。すなわち、ＳｉＯ2 膜およびＴｉＯ2 膜の厚さをそれぞれ９４．２ｎｍおよび５９．８ｎｍとし、（ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ）１周期単位を２０回繰り返した多層膜からなる１次元周期構造体を考え、その光透過特性をコンピュータ・シミュレーションで求めた。その結果を図４に示す。図４より、見事に、可視域の４８０ｎｍから６５０ｎｍの範囲の波長の光を通さないことがわかる。これを１次元の場合のフォトニック・バンドギャップ、あるいはストップバンドと呼ぶ。今日このような設計から干渉フィルターやバンドパスフィルターが設計されていることは良く知られたことである。
【０１０７】
さて次に、上述の１次元周期構造体にその周期性を乱す「異物（＝不純物）」を挿入することを考える。例えば、図５に示すように、（ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ）１０周期分を積層した後、ＳｉＯ2 およびＴｉＯ2 と異なる物質Ｍ（ｎ（Ｍ）＝１．９５と仮定）をある厚さｄ（Ｍ）で積層し、その後（ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ）１０周期分を積層した多層膜を考える。物質Ｍを符号３で示す。そして、この多層膜の光透過特性をコンピュータ・シミュレーションで求めた。その結果を図６に示す。ｎ（Ｍ）＝１．９５の物質Ｍとしては例えばＺｒＯ2 がある。また、ｄ（Ｍ）＝２８．２ｎｍとした（後述の換算膜厚Ｗ＝０．１に相当する）。図６より、興味深いことに、可視域の透過しない領域にスパイク的に透過ピークが生じていることが認められる。これが半導体物理でいうところのキャリア注入であり、バンドギャップ内に不純物準位を形成するのと同様の効果である。フォトニック・バンド理論での不純物効果である。
【０１０８】
次に、上述の「異物」に動きを持たせたらどうなるかについて説明する。圧電性物質等は外部電界によって厚さが変化することは今日周知の事実であり、例えばこういったものをこの異物として使用することができる。今、異物である物質Ｍの厚さを換算膜厚表示Ｗで、０．０２から０．２４まで０．０２ずつ変化させた場合の全透過スペクトルを計算で求めた結果を図７および図８に示す。ここに換算膜厚Ｗは以下の計算式により求める。ただし、ｎ（Ｍ）＝１．９５とする。
【０１０９】
Ｗ＝ｎ（Ｍ）ｄ（Ｍ）／５５０
この物質Ｍの厚さの増加に伴う、フォトニック・ギャップ中に現われる透過光ピークのシフトの様子を換算膜厚Ｗを０．８まで拡張してグラフ化したものが、図９である。図９より、Ｗ＝０．０２から０．２４までの範囲では、異物のＭ層の厚さが１ｎｍ増加すると、透過光ピークの位置が長波長側へ約１．４ｎｍシフトすることがわかる。このようにフォトニック・ギャップ中に現われる透過光ピークは、異物のＭ層の厚さの増加に伴って、短波長側から長波長側へ大きくシフトして行くことが今回初めて確認された。この透過光ピークのことをここでは、モバイル・ピーク（ＭＰ）と呼ぶことにする。ストップバンドの端に行くと、今度は短波長側から再度ＭＰが出現し、またこれがシフトして行くことが如実にわかる。
【０１１０】
このように、ＭＰを異物層の厚さで制御することができる。そこで、この第１の実施形態においては、異物層の厚さを電界で制御することによりＭＰを制御する場合について説明する。図１０に、この第１の実施形態による光機能素子を示す。
【０１１１】
図１０に示すように、この光機能素子は、図５に示すＭ層の位置に、ＰＺＴ層を透明電極としてのＩＴＯ層（Ｉｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ4 透明導電性薄膜）を介して挿入した構造を有する。ＰＺＴ層を符号４で、このＰＺＴ層４の両側のＩＴＯ層を符号５、６で示す。
【０１１２】
このように構成された光機能素子においては、ＩＴＯ層５、６間に電圧を印加してその厚さ方向に電界を印加することによりＰＺＴ層４の厚さを変化させることができ、これによってすでに述べた原理によりＭＰを制御することができる。
【０１１３】
この第１の実施形態によれば、外部からの信号により、すなわちＩＴＯ層５、６間に電圧を印加することにより、透過波長を選択することができ、これによって電圧で波長選択が可能な波長選択素子を実現することができる。
【０１１４】
次に、この発明の第２の実施形態による光機能素子について説明する。
【０１１５】
第１の実施形態においては、１次元周期構造体に導入された「異物」であるＭ層の厚さを変化させた場合について説明したが、この第２の実施形態においては、まず、異物層の厚さを一定として、その誘電率、すなわち屈折率を変化させた場合について説明する。
【０１１６】
まず、異物層の厚さを５５ｎｍとし、その屈折率を１から５まで変化させた場合のＭＰのシフトの様子を計算で求めた結果を図１１に示す。図１１より、やはりストップバンド内に、スパイク状のＭＰが出現して、それが屈折率ｎの増加に伴って長波長側へシフトして行くことが明確にわかる。次に、異物層の厚さを２２０ｎｍと増加させて一定とした場合、その屈折率を１から５まで変化させたときのＭＰのシフトの様子を計算で求めた結果を図１２に示す。図１２より、ここでも、ストップバンド内にスパイク状のＭＰが出現して、それが屈折率ｎの増加に伴って長波長側へ急激なシフトをして行き、それが何回か繰り返される様子が見てとれる。
【０１１７】
以上のように、このＭＰのシフト挙動は、「異物層の厚さ」だけでなく、「異物層の屈折率または誘電率」にも依存することが決定付けられたことになる。なお、屈折率ｎと誘電率εとの間には、ε＝ｎ2 なる関係が知られている。図１３に示すように、外部からの電界強度を調整することにより、非線形媒質では確実に異なる誘電率を誘起させられる訳であり、これが屈折率変化として光学特性への変化と繋げられる訳である。
【０１１８】
図１４にこの発明の第２の実施形態による光機能素子を示す。
【０１１９】
図１４に示すように、この第２の実施形態による光機能素子は、図５に示すＭ層の位置に、ＰＬＺＴ層を透明電極としてのＩＴＯ層を介して挿入した構造を有する。ＰＬＺＴ層を符号７で示す。
【０１２０】
このように構成された光機能素子においては、ＩＴＯ層５、６間に電圧を印加して電圧を印加することによりその厚さ方向に電界を印加することによりＰＬＺＴ層７の屈折率を変化させることができ、これによってすでに述べた原理によりＭＰを制御することができる。
【０１２１】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、電圧で波長選択が可能な波長選択素子を実現することができる。
【０１２２】
次に、この発明の第３の実施形態による人工調光皮膚について説明する。この人工調光皮膚は第１および第２の実施形態の基本原理を応用したものである。
【０１２３】
図１５に示すように、この人工調光皮膚においては、人工皮膚の基板１１上に第２の実施形態と同様な、１次元周期構造体である周期性多層膜１２に異物薄膜１３が導入された１次元フォトニクス周期性構造体が基板１１上に形成されている。周期性多層膜１２と異物薄膜１３との界面には導電性電極膜１４、１５が形成されている。ここで、異物薄膜１３としては運動機能性材料、あるいは外部電界でその誘電率ないし屈折率が変化し得る物質を用いる。この１次元フォトニクス周期性構造体に隣接して、ＰＺＴ等で代表される圧電性薄膜１６を導電性電極膜１７、１８ではさんだ圧電素子が形成されている。この圧電素子の導電性電極膜１７、１８は、それぞれ配線１９、２０により、１次元フォトニクス周期性構造体の導電性電極膜１４、１５と接続されている。これらの基板１１、１次元フォトニクス周期性構造体および圧電素子の全体により人工調光皮膚が構成されている。
【０１２４】
このように構成された人工調光皮膚においては、外部から人工皮膚が触られたり、たたかれたりすると、圧電素子部で、圧電効果により導電性電極膜１７、１８間に大きな電位差が生じ、それにより、１次元フォトニクス周期性構造体の導電性電極膜１４、１５間、したがって異物薄膜１３にその厚さ方向に電圧が印加される。その結果、異物薄膜１３は運動機能を発現するか、あるいは、屈折率変化を生じて、１次元フォトニクス周期性構造体の透過・反射スペクトルに大きな変化を生じさせることになる。これによって、人工皮膚の色が変化（例えば、青・緑色から赤色へ）することとなる。
【０１２５】
以上のように、この第３の実施形態によれば、外部からの接触により色が変化する人工調光皮膚を実現することができる。
【０１２６】
次に、この発明の第４の実施形態による人工調光皮膚について説明する。図１６にこの人工調光皮膚を示す。
【０１２７】
図１６に示すように、この人工調光皮膚においては、異物薄膜１３の両端面に導電性電極膜１４、１５が形成され、これらの導電性電極膜１４、１５と圧電素子の導電性電極膜１７、１８とが、それぞれ配線１９、２０を介してに接続されている。その他の構成は、第３の実施形態と同様である。
【０１２８】
このように構成された人工調光皮膚の原理は第３の実施形態による人工調光皮膚と同様である。
【０１２９】
この第４の実施形態によっても、外部からの接触により色が変化する人工調光皮膚を実現することができる。
【０１３０】
次に、この発明の第５の実施形態による人工調光皮膚について説明する。図１７にこの人工調光皮膚を示す。
【０１３１】
図１７に示すように、この人工調光皮膚においては、圧電素子上に１次元フォトニクス周期性構造体が形成されている。その他の構成は、第３の実施形態と同様である。
【０１３２】
このように構成された人工調光皮膚の原理は第３の実施形態による人工調光皮膚と同様である。
【０１３３】
この第５の実施形態によっても、外部からの接触により色が変化する人工調光皮膚を実現することができる。
【０１３４】
次に、この発明の第６の実施形態による人工調光皮膚について説明する。図１８にこの人工調光皮膚を示す。
【０１３５】
図１８に示すように、この人工調光皮膚においては、圧電素子上に１次元フォトニクス周期性構造体が形成されている。その他の構成は、第４の実施形態と同様である。
【０１３６】
このように構成された人工調光皮膚の原理は第３の実施形態による人工調光皮膚と同様である。
【０１３７】
この第６の実施形態によっても、外部からの接触により色が変化する人工調光皮膚を実現することができる。
【０１３８】
次に、この発明の第７の実施形態による人工調光皮膚について説明する。図１９にこの人工調光皮膚を示す。
【０１３９】
図１９に示すように、この人工調光皮膚においては、人工皮膚の基板３１上に第２の実施形態と同様な、１次元周期構造体である周期性多層膜３２に異物薄膜として透明なゴム状薄膜３３が導入された１次元フォトニクス周期性構造体が基板３１に平行に形成されている。この１次元フォトニクス周期性構造体は例えば碁盤の目状に区画化されており、各区画の間には隙間が設けられている。各区画の大きさは例えば人間の手の指先と同程度とする。透明なゴム状薄膜３３の材料としては、例えばシリコンゴムなどを用いることができる。
【０１４０】
このように構成された人工調光皮膚においては、図２０に示すように、外部から例えば指３４で人工皮膚が触られたり、たたかれたりすると、それによりその区画の１次元フォトニクス周期性構造体に生ずる応力が塑性変形を引き起こし、異物であるゴム状薄膜３２の厚さを大きく変える。その結果、人工皮膚の色を変えることができることになる。
【０１４１】
この第７の実施形態によれば、電気を一切使用しない人工調光皮膚を実現することができ、また、構造をより単純化することができることにより製造コストも安価である。
【０１４２】
次に、この発明の第８の実施形態による光機能素子について説明する。
【０１４３】
第１〜第７の実施形態においては、１次元の周期構造材料についての原理及びその応用の例を記述してきたが、この第８の実施形態においては、２次元の場合について説明する。２次元面での周期性構造の作製手法は実に種々の方法がある。半導体産業で培われたリソグラフィー技術は勿論、球体を整列させるやり方等が考えられるが、ここではプリンタヘッドを用いた作製手法を説明する。通常使用されているプリンタヘッド（例えば、圧電機構による液溜めからの噴出方式）の液溜めの中に、噴出後固体化する液状物質を予め入れておき、それを実際に印字させると、今日の技術では、１０００ＤＰＩ、すなわち２５μｍ周期のドット形成が可能である。インクジェット方式で基板上にドットを形成して形成された二次元周期構造体としてのドット形成膜のイメージ図を図２１に示す。
【０１４４】
図２１に示すように、この光機能素子は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ所定の周期で形成されたドット４２からなる二次元周期構造体のＸ方向の周期構造の途中に、ドット４２と異なる物質からなるドット４３がＹ方向に一列に配列して挿入された構造を有する。この一列のドットは周期構造を構成するドットをインクジェット方式で形成する途中でインクとして使用する物質を変えることにより形成することができる。
【０１４５】
この第８の実施形態によれば、赤外域の波長の光に対しては、Ｘ方向からの入射とＹ方向からの入射とでは反射波長も異なるなどの効果を期待することができる。さらに、ドット４３、４４間の周期を細かくすることにより、周期を可視域の波長と同程度の寸法まで到達させることが可能であれば、目で見た際の色調を自由に形成させることが可能である。すなわち、液溜めに用意する液の種類を予め選択／設計しておけばいい訳であり、ほとんど無限のバリエーションが考えられる。例えば、金属コロイドを入れておいて、特殊な光沢が生ずるようなコーティングあるいは人工皮膚等を得ることも可能である。
【０１４６】
次に、この発明の第９の実施形態について説明する。
【０１４７】
第１〜第８の実施形態においては、「異物」には機能性を与えていない状況での機能発現と、その作製法について説明した。この第９の実施形態においては、２次元面に垂直方向に成長させたワイヤー構造とその構造体への機能性賦与の例について説明する。
【０１４８】
この第９の実施形態においては、図２２Ａに示すように、まず、単結晶シリコン（Ｓｉ）基板５１を用意する。次に、図２２Ｂに示すように、この単結晶Ｓｉ基板５１上に、微細な穴が形成されたマスク（図示せず）を用いて、例えば金（Ａｕ）を蒸着することにより、円形状のＡｕ膜５２を二次元アレイ状に周期的に形成する。次に、Ａｕのいわゆるサーフェクタント効果を利用し、Ｓｉを成長させる。すなわち、図２２Ｃに示すように、サーフェクタント効果によりＡｕ膜５２の下側にＳｉが入り込むため、Ａｕ膜５２の下に円柱状にＳｉ柱５３が形成される。次に、Ａｕ膜５２を除去した後、図２２Ｄに示すように、Ｓｉ柱５３上に酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）層５４をバッファ層として成長させ、さらにその上にチタン酸ジルコニウム酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）層５５を成長させる。このようにして、二次元周期構造体が形成される。
【０１４９】
この第９の実施形態においては、ＰＬＺＴは光アクチュエータとしても知られており、光照射により光起電力効果による端面電位差が生じ、同時に電歪効果による歪が生じるというメカニズムを利用する。したがって、図２３に示すように、外部からレーザー光を制御光として特定部位のＰＬＺＴ層５５に照射することにより、その形状を変形させることが可能であり、これによって信号光を制御することができることになる。
【０１５０】
次に、この発明の第１０の実施形態について説明する。
【０１５１】
この第１０の実施形態においては、図２４Ａに示すように、まず、単結晶Ｓｉ基板６１を用意する。次に、図２４Ｂに示すように、この単結晶Ｓｉ基板６１上に、微細な穴が形成されたマスク（図示せず）を用いて、例えばＡｕを蒸着することにより、円形状のＡｕ膜６２を二次元アレイ状に周期的に形成する。次に、Ａｕのサーフェクタント効果を利用し、Ｓｉを成長させる。すなわち、図２４Ｃに示すように、サーフェクタント効果によりＡｕ膜６２の下側にＳｉが入り込むため、Ａｕ膜６２の下に円柱状のＳｉ柱６３が形成される。次に、Ａｕ膜６２を除去した後、図２４Ｄに示すように、Ｓｉ柱６３上にＣｅＯ2 層６４をバッファ層として成長させる。ここまでのプロセスは、第９の実施形態と同様である。次に、このＣｅＯ2 層６４上にＳｒＲｕＯ3 層６５、ＰＬＺＴ層６６およびＳｒＲｕＯ3 層６７を順次成長させる。このようにして、二次元周期構造体が形成される。ここで、ＳｒＲｕＯ3 層６５およびＳｒＲｕＯ3 層６７はそれぞれ下層電極および上層電極として用いられる。
【０１５２】
この第１０の実施形態においては、ＰＬＺＴの電歪効果による歪が生じるというメカニズムを利用する。したがって、図２５に示すように、特定部位のＰＬＺＴ層６６にＳｒＲｕＯ3 層６５およびＳｒＲｕＯ3 層６７により電圧を印加することにより、その形状を変形させることが可能であり、これによって信号光を制御することができることになる。
【０１５３】
次に、この発明の第１１の実施形態による機能素子について説明する。
【０１５４】
この第１１の実施形態においては、図２３に示すように、基板７１上にワイヤ状突起７２がＸ方向及びＹ方向にそれぞれの所定の周期で形成されて二次元周期構造体が形成されたものが二つ、それらの二次元周期構造体同士が互いに対向するように配置されている。これらの二次元周期構造体は、例えば、第８、第９または第１０の実施形態による二次元周期構造体と同様なものであってよい。これらの二次元周期構造体は、図示省略した駆動機構により、上下方向（Ｚ方向）および面内方向（Ｘ方向およびＹ方向）に可動に構成されている。
【０１５５】
この第１１の実施形態においては、一方の二次元周期構造体をＸＹ面内において移動させてその周期構造が他方の二次元周期構造体のＸ方向またはＹ方向の周期構造の周期を２等分する位置でＸＹ面内の移動を停止し、その後Ｚ方向に移動させて二つの二次元周期構造体の周期構造同士が互いに食い込んだ状態になった時点でＺ方向の移動を停止する。このようにすることにより、Ｘ方向またはＹ方向の周期性を２分の１に変調することができるとともに、Ｚ方向の微調整により食い込みの深さを制御することにより、電磁波／音波との干渉の程度を変化させることができる。さらに、第８、第９および第１０の実施形態と同様な効果を得ることもできる。
【０１５６】
次に、この発明の第１２の実施形態による二次元周期構造体について説明する。図２７はこの二次元周期構造体を示す。今度は、やはり２次元面での周期構造に変調をかけた別の方式を紹介する。
【０１５７】
この第１２の実施形態においては、図２７に示すように、例えばＳｉ基板のような基板８１の一方の主面上に、ＰＺＴ膜などの圧電性薄膜８２を下部電極８３及び上部電極８４ではさんだ構造の圧電素子がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ所定の周期で周期的に形成されている。これらの圧電素子の下部電極８３および上部電極８４間には互いに独立に駆動電圧を印加することができるように、所定の配線（図示せず）が形成されている。また、基板８１には、各圧電素子のＹ方向の所定長さの部分と重なるようにリソグラフィーなどの技術でエッチングなどで形成された例えば四角形の穴８５が形成されている。この変調方式には、電極と配線の多種多用な組み合わせが可能であることは言うまでもない。制御の仕方が予め決まっていれば、それに合った電極や配線を設計してやればいい。なお、全ての圧電素子に電極が設けられている必要は必ずしもない。
【０１５８】
この第１２の実施形態においては、特定部位の圧電素子の下部電極８３および上部電極８４間に電圧を印加して圧電性薄膜８２に電界を印加すると、電歪効果により穴８６の上部の圧電性薄膜８２が上または下側に反り返ることにより、その部分でＹ方向の周期性の乱れが生じる。これによって、ＭＰを制御することができる。
【０１５９】
次に、この発明の第１３の実施形態による音波機能素子について説明する。図２８にこの音波機能素子を示す。
【０１６０】
この第１３の実施形態においては、図２６に示すように、基板８１上のＸ方向に複数のペルチェ素子が直列接続されて所定の周期で周期的に配置され、このＸ方向のペルチェ素子列が複数、Ｙ方向に所定の周期で周期的に配置されて、これによって二次元周期構造が形成されている。各ペルチェ素子は、ｎ型半導体層８２、ｐ型半導体層８３および金属フィン８４により構成されている。Ｘ方向のペルチェ素子列の両端間には直流電流を流すことができるようになっている。
【０１６１】
この第１３の実施形態においては、図２６中矢印方向に直流電流を流すと、この直流電流の流れる方向で見たときのｎ型半導体層８２からｐ型半導体層８３を結ぶ金属フィン８４は低温接合部（吸熱部）となり、一方、ｐ型半導体層８３からｎ型半導体層８２を結ぶ金属フィン８４は高温接合部（発熱部）となる。これによって、低温接合部の金属フィン８４の近傍の空気の密度は増大し、高温接合部の金属フィン８４の近傍の空気の密度は減少するため、Ｘ方向にペルチェ素子の配列ピッチと同じ周期で空気の密度の疎密の周期的変化が生じることになる。この状態でＸ方向から超音波を入射させることにより、フォトニックバンドと類似の効果を得ることができる。
【０１６２】
この音波機能素子は、ペルチェ素子におけるＰ型半導体層８３およびｎ型半導体層８２の配置を自由に変えることができるので、いろんな周期に対応可能であることは言うまでもない。
【０１６３】
この第１３の実施形態によれば、ペルチェ素子を利用して、フォトニック結晶と同様な機能を有する音波機能素子を実現することができる。
【０１６４】
次に、この発明の第１４の実施形態による音波機能素子について説明する。図２９にこの音波機能素子を示す。
【０１６５】
この第１４の実施形態においては、図２９に示すように、二枚の基板９１、９２の間に簾状に例えば寒天のようなゲルからなる糸９３がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ所定の周期で周期的に張り巡らされて二次元周期構造体が形成されている。この周期は超音波が感じるように選ばれる。
【０１６６】
この第１４の実施形態においては、二次元周期構造体に入射する超音波に対して、フォトニック結晶と同様な機能を有する音波機能素子を実現することができる。また、二次元周期構造体を構成する糸９３に、外部から振動を送って超音波を変調することもできる。
【０１６７】
次に、この発明の第１５の実施形態について説明する。この第１５の実施形態から第２０の実施形態においては、インターカレーション物質や、複合材料を使用した場合について説明する。
【０１６８】
まず、インターカレーション物質の作製法について説明しておく。例として、ＫＴｉＮｂＯ5 セラミックスへ有機アミンをその炭素数で１６までインターカレーションさせた作製手順について簡単に説明する。
【０１６９】
まず、市販の原料粉：Ｋ2 ＣＯ3 、ＴｉＯ2 、Ｎｂ2 Ｏ5 をそれぞれ１：１：１のモル比で採取し、十分混合後、９００℃で２４時間仮焼し、これを粉砕する。この工程を計３回繰り返して、ＫＴｉＮｂＯ5 の単相試料を得た。
【０１７０】
次に２Ｎの塩酸で６０℃で１時間イオン交換処理を施し、ほぼ完全にＨＴｉＮｂＯ5 粉末を作製した。
【０１７１】
次の工程以降が有機直鎖アミンのインターカレーションであるが、その炭素数によって、溶媒などが異なるので、以下に箇条書にして記す。
【０１７２】
（１）炭素数：Ｃ＝１〜５の場合
溶媒は純水を用い、１Ｍアミン溶液に対して、ＨＴｉＮｂＯ5 が０．０５ｍｏｌ／ｌとなるように採取し、室温にて２時間攪拌、その後３日間乾燥のために放置した。
【０１７３】
（２）炭素数：Ｃ＝８、１０の場合
溶媒は純水とエタノールの５０：５０（体積比）の混合液を用い、その１Ｍアミン溶液に対して、ＨＴｉＮｂＯ5 が０．０５ｍｏｌ／ｌとなるように採取し、室温にて２時間攪拌、その後３日間乾燥のために放置した。
【０１７４】
（３）炭素数：Ｃ＝１２、１６の場合：
溶媒は純水とエタノールの５０：５０（体積比）の混合液を用い、その１Ｍアミン溶液に対して、ＨＴｉＮｂＯ5 が０．０５ｍｏｌ／ｌとなるように採取し、室温にて２時間攪拌、直ちに遠心分離器を用いて１０分間、沈殿の促進を計り、上澄み液を捨てて、室温でその後２日間乾燥のために放置した。このようにして、ＫＴｉＮｂＯ5 からＨＴｉＮｂＯ5 、さらに有機アミンがインターカレートしたＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 の３種が合成できる。
【０１７５】
いずれの粒子も１μｍ弱の大きさであり、特に有機アミンをインターカレートしたものは、より隣片状となっていることがわかる。次に、上記実験における、炭素数増加に伴うＣ軸格子定数の変化の様子を図３０に示す。図３０に示すように、１．７ｎｍから最大８．２ｎｍ程まで４倍以上、Ｃ軸格子定数が伸長していることが判明した。
【０１７６】
この結果から、Ｃ軸格子定数Ｃ0 と炭素数ｎの関形式はきれいな線形近似が可能で、
Ｃ0 ＝１．８４７＋０．４０７４１ｎ
となることがわかる。
【０１７７】
このようにして得られた有機アミンインターカレーション材料を用いた、第１５の実施形態による光機能素子を以下に記述する。図３１にこの光機能素子を示す。
【０１７８】
図３１に示すように、この第１５の実施形態による光機能素子は、第１の実施形態と同様な、［（ＳｉＯ2 ）n ／（ＴｉＯ2 ）m ］１次元周期構造体中のＭ層の位置に、無機または有機インターカレーション物質としてＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８を透明電極としてのＩＴＯ層５、６を介して挿入した構造を有する。
【０１７９】
この第１５の実施形態においては、ＩＴＯ層５、６間に電圧を印加することによりＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８の厚さ方向に電界を印加すると、その分子が持っている双極子モーメントと外部電界の関係から分子鎖が電界方向に約平行に並ぼうとし、結果的にインターカレーション物質のＣ軸格子定数を増加させる。この結果、特定の光を透過しない波長領域の中に一部だけ透過する波長、すなわちＭＰを設けることができる。
【０１８０】
この第１５の実施形態によれは、電圧制御により光の波長選択変調が可能である波長選択素子を実現することができる。
【０１８１】
次に、この発明の第１６の実施形態による光機能素子について説明する。図３２にこの光機能素子を示す。
【０１８２】
図３２に示すように、この光機能素子は、図５に示すＭ層の位置に、インターカレーション物質であるＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８を挿入した構造を有する。
【０１８３】
実際の使用時には、この光機能素子はアミン液中に入れられる。このアミン液中では、ＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８のＣ軸格子定数が増加することにより、このＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８の厚さが増す。ここで、この厚さの増加量は、アミン液の炭素数により変化するので、アミン液の炭素数を変えることにより、ＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８の厚さを所望の厚さに制御することができる。ＲＮＨ3 ＴｉＮｂＯ5 層８を元の状態に戻すには、光機能素子を塩酸で洗浄すればよい。
【０１８４】
この第１６の実施形態によっても、アミン液により透過波長の選択が可能な光機能素子を実現することができる。
【０１８５】
次に、この発明の第１６の実施形態による光機能素子について説明する。図３３にこの光機能素子を示す。
【０１８６】
この第１６の実施形態においては、図３３に示すように、微小な球１０１内に例えば二硫化炭素のような強い電界で分子配列を起こす、いわゆるカー効果材料を入れたものが３次元的に周期的に配列されて３次元周期構造体が形成されている。この球１０１はセラミックスでも、有機物でできたマイクロカプセルのような形態のものでも構わない。これらの球１０１からなる３次元周期構造体の両端に透明電極１０２、１０３が配置されている。これらの透明電極１０２、１０３としては、ＩＴＯや光が透過するほど薄い金属膜などを用いることができる。
【０１８７】
この第１６の実施形態においては、透明電極１０２、１０３間に電圧を印加することにより、３次元周期構造体に一定の弱い電界を印加し、球１０１内の分子鎖を入射光軸に平行に並べておく。この状態では入射光の偏光状態は一切変わらない。ただし、球１０１による屈折には異方性がないと仮定する。
【０１８８】
次に、外部から別の電界強度の強い制御光を入射させると、その偏光方位が光軸と垂直な方向であれば、照射領域の球１０１内の二硫化炭素鎖はその偏光方向に平行に配列するため、結果として予め入射していた光に対する屈折率に変化が生じる。これは、周期性がこの制御光の照射によって乱されたことに相当する。これによって、信号光のストップバンド中に現われるＭＰの波長シフトを外部制御光の電界強度で制御することができることがわかる。
【０１８９】
この第１６の実施形態によれば、制御光で透過波長の選択が可能な波長選択素子を実現することができる。
【０１９０】
次に、この発明の第１７の実施形態による機能素子について説明する。
【０１９１】
この第１７の実施形態においては、第１６の実施形態における球１０１の中に入れる物質として、光の偏光電界によって配向し得る液晶を封入を用いる。このような液晶材料としては、例えば下記のようなものを用いることができる。
【０１９２】
（１）カイラル系液晶
【０１９３】
【数１】
0003829548.tif 000002
【０１９４】
（２）フェニルピリミジン系液晶
【０１９５】
【数２】
0003829548.tif 000003
【０１９６】
（３）フェニルピリジン系液晶
【０１９７】
【数３】
0003829548.tif 000004
【０１９８】
（４）アミン系液晶
【０１９９】
【数４】
0003829548.tif 000005
【０２００】
（５）ビフェニルピリミジン系液晶
【０２０１】
【数５】
0003829548.tif 000006
【０２０２】
この第１７の実施形態の上記以外のことは、第１６の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【０２０３】
この第１７の実施形態によっても、第１６の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０２０４】
次に、この発明の第１８の実施形態による光機能素子について説明する。この光機能素子は、運動機能付きフォトニック結晶による発光制御に関するものである。
【０２０５】
今、図３４Ａに示すようなスペクトル分布を持つ光を、図３４Ｂに示すような例えば希土類元素が発光材料として入れられたアルミナやシリカなどからなる発光体１１１に照射して励起すると、図３４Ｃに示すような発光スペクトルが得られる。
【０２０６】
次に、図３５Ａに示すようなスペクトル分布を持つ光を、図３５Ｂに示すようにな例えばＺｎＳなどの青色ないし緑色発光材料からなる発光体１１２が三次元的に配列された３次元周期構造体に照射すると、図３５Ｃに示すような発光スペクトルが得られ、ストップバンドが形成される。これは通常のフォトニック結晶である。
【０２０７】
さて、この第１８の実施形態においては、このようなフォトニック結晶に運動機能を与えることを考える。すなわち、図３６Ａに示すようなスペクトル分布を持つ光を、図３５Ｂに示すような例えばＺｎＳなどの青色ないし緑色発光材料からなる発光体１１３を一部に含む、ＰＬＺＴ等の光歪効果材料からなる微小球１１４で構成された３次元周期構造体に照射するが、このとき、外部からの制御光により３次元周期構造体を構成する微小球１１４に歪みが発生することによりその大きさが拡大する。これは、図２３に示す例と類似している。これによって、入射光により励起された発光体１１３からの発光が外部に生じるようになって図３６Ｃに示すような発光スペクトルが得られ、信号光のストップバンド中にＭＰが現れるようにすることができる。このＭＰの波長シフトは外部制御光の電界強度で制御することができる。
【０２０８】
この第１８の実施形態によれば、外部制御により透過波長の選択が可能な波長選択素子を実現することができる。
【０２０９】
次に、この発明の第１９の実施形態による光機能素子について説明する。
【０２１０】
この第１９の実施形態においては、図３７に示すように、容器１２１内に微小球１２２からなる３次元周期構造体を入れ、その空隙に液体の電界配向性有機材料１２３を満たしたものに、外部から特定部位に制御光を入射させ、その電界ベクトルの方向に有機分子鎖を配向させることにより、電界配向性有機材料１２３の屈折率を局所的に変化させる。ここで、３次元周期構造体には発光体１２４が導入されている。このようにすることにより、第１８の実施形態と同様に、信号光のストップバンド中にＭＰが現れるようにすることができる。
【０２１１】
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は、上述の実施形態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。
【０２１２】
すなわち、上述の実施形態において挙げた数値、構造、形状、材料、成長方法、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、形状、材料、成長方法、プロセスなどを用いることも可能である。
【０２１３】
また、人工調光皮膚における周期構造体と圧電素子との配置の仕方や配線方法などは、必要に応じて、第３〜第６実施形態と異なる配置の仕方や配線方法を用いてもよい。
【０２１４】
また、第１、第２実施形態などにおいては、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 とを交互に積層することにより１次元周期構造体を形成しているが、必要に応じて、これらの材料の代わりに、例えば、ＣｅＯ2 、ＺｒＯ2 、ＭｇＦ2 、ＣａＦ2 、ＳｎＯ2 、ＺｎＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 などを用いてもよい。
【０２１５】
また、異物層であるＭ層は、必要に応じて、１次元周期構造体の複数箇所に挿入してもよい。
【０２１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による機能性材料および機能素子によれば、外部からの信号により、光等の電磁波の透過波長を変化させたり、入射電磁波を属性の異なる電磁波に変換したりすることができる。
【０２１７】
また、外部からの信号により、超音波等の音波の透過波長を変化させたり、入射音波を属性の異なる音波に変換したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種の運動機能材料の特性を比較した略線図である。
【図２】波長を中心に比較した電磁波と音波の相違を示す略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図４】図３に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］−２０層の１次元周期構造体の光透過スペクトルを示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態において用いる［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の１次元周期構造体を説明するための略線図である。
【図６】図５に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の１次元周期構造体の光透過スペクトルを示す略線図である。
【図７】図５に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の中間に挿入した異物層の厚さを換算膜厚で０．０２から０．２４まで０．０２ずつ変化させたときの全透過スペクトルを示す略線図である。
【図８】図５に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の中間に挿入した異物層の厚さを換算膜厚で０．０２から０．２４まで０．０２ずつ変化させたときの全透過スペクトルを示す略線図である。
【図９】図５に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の異物層の厚さを変化させたときの換算膜厚を変化させたＭＰの波長シフトの挙動を示す略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図１１】図５に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の中間に挿入した異物層の厚さを換算膜厚で５５ｎｍとして屈折率を変化させた場合のＭＰの波長シフトの挙動を示す略線図である。
【図１２】図５に示す［ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 ］10−Ｍ−［ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ］10の中間に挿入した異物層の厚さを換算膜厚で２２０ｎｍとして屈折率を変化させた場合のＭＰの波長シフトの挙動を示す略線図である。
【図１３】非線形媒質における電界強度と分極との関係および屈折率と誘電率との関係を示す略線図である。
【図１４】この発明の第２の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図１５】この発明の第３の実施形態による人工調光皮膚を示す略線図である。
【図１６】この発明の第４の実施形態による人工調光皮膚を示す略線図である。
【図１７】この発明の第５の実施形態による人工調光皮膚を示す略線図である。
【図１８】この発明の第６の実施形態による人工調光皮膚を示す略線図である。
【図１９】この発明の第７の実施形態による人工調光皮膚を示す略線図である。
【図２０】この発明の第７の実施形態による人工調光皮膚の動作を説明するための略線図である。
【図２１】この発明の第８の実施形態による機能素子を示す斜視図である。
【図２２】この発明の第９の実施形態による光機能素子を説明するための断面図である。
【図２３】この発明の第９の実施形態による光機能素子の動作を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第１０の実施形態による光機能素子を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第１０の実施形態による光機能素子の動作を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第１１の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図２７】この発明の第１２の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図２８】この発明の第１３の実施形態による音波機能素子を示す略線図である。
【図２９】この発明の第１４の実施形態による音波機能素子を示す略線図である。
【図３０】［ＴｉＮｂＯ5 ］無機骨格に挿入した有機直鎖アミンの炭素数と格子定数の相関を示す略線図である。
【図３１】この発明の第１５の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図３２】この発明の第１６の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図３３】この発明の第１７の実施形態による光機能素子を示す略線図である。
【図３４】この発明の第１８の実施形態による光機能素子を説明するための略線図である。
【図３５】この発明の第１８の実施形態による光機能素子を説明するための略線図である。
【図３６】この発明の第１８の実施形態による光機能素子を説明するための略線図である。
【図３７】この発明の第１９の実施形態による光機能素子を説明するための略線図である。
【符号の説明】
１・・・ＳｉＯ2 、２・・・ＴｉＯ2 、３・・・異物層、４・・・ＰＺＴ層、５、６・・・ＩＴＯ層、７・・・ＰＬＺＴ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】
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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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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