(57)【要約】  光学材料特性の正確で可逆的な局在制御を実現するのは困難である。幸いなことに、固体系での電気化学反応およびプロトンポンピングによって、固体系の光学特性の可逆的な電気制御が提供される。ＧｄＯｘなど、薄い固体電解質層に電圧を印加することで、固体電解質と電極との間の界面で、水をＯ２およびＨ＋に分解する（電極における電子移動によって確保される電荷保存により）。電圧によって、プロトンを固体電解質の中へと駆動し、固体電解質の屈折率を変化させる。印加した電圧の極性を逆転させることで、プロトンを固体電解質から外へ駆動し、屈折率の変化を逆転させる。この可逆的な電気制御を使用して、干渉色調節、透過調節、およびスイッチ可能なプラズモニクスを実施できる。固体電解質は１０ナノメートル未満の厚さでありうるため、この電気化学制御によって、光学特性アクティブプラズモンデバイスおよび再構成可能なメタマテリアルを、高度に局在制御することが可能になる。【選択図】図１−２
2020524307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスであって、
第一の電極と、
第二の電極と、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に配置される、固体電解質と、
前記第一の電極および前記第二の電極にわたって電圧を印加するように、前記第一の電極および前記第二の電極と電気連通する、電圧源であって、前記電圧によって、前記第一の電極と前記固体電解質との間の界面で、水を酸素およびプロトンに分解し、前記電圧によって、前記プロトンを前記第二の電極に向かって駆動する電場を生成し、前記プロトンによって、前記デバイスの光学特性に変化を引き起こす、電圧源とを備える、デバイス。
【請求項２】
前記第一の電極は、前記第一の電極と前記固体電解質との間の前記界面へ、前記水を通すのに十分な透過性がある、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第一の電極は、導電性ナノ構造を備え、前記固体電解質の前記光学特性の前記変化によって、前記導電性ナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトさせる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記固体電解質は、希土類酸化物ＲＥ２Ｏ３−δを含み、ＲＥは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｙｂ、またはＹのうちの少なくとも一つであり、δは、０．０１と０．５との間である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記固体電解質は、約４ｎｍから約８０ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記固体電解質は、室温で約１０−１１ジーメンス／メートルから約１０−７ジーメンス／メートルのプロトン導電性を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記固体電解質の前記光学特性の前記変化は、約１００秒未満で起こる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第二の電極は、マグネシウム、イットリウム、ランタン、またはそれらの合金のうちの少なくとも一つを含み、前記プロトンによって、前記第二の電極を反射状態から誘電状態へ変化させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第一の電極を介して前記水を提供するように、前記第一の電極上に配置される、貯水層をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
基板と、
前記基板と前記第二の電極との間に配置され、前記固体電解質の屈折率とは異なる屈折率を有する、誘電体層とをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記固体電解質の中または隣に形成される、プラズモンナノ構造をさらに備え、前記固体電解質の前記光学特性の前記変化によって、前記プラズモンナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトさせる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記プラズモンナノ構造の少なくとも一部分の上に配置される、金属層をさらに備える、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記プロトンによって、前記第二の電極を導電性反射状態から誘電体透明状態へ変化させる、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記プロトンによって、前記プラズモンナノ構造の光学特性の変化を引き起こす、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１５】
第一の電極および第二の電極による、固体電解質にわたる電場を印加することを含み、前記電場によって、前記第一の電極と前記固体電解質との間の界面で、水を酸素イオンおよびプロトンに分解し、前記電場によって、前記プロトンを前記第二の電極に向かって駆動し、前記プロトンによって、前記固体電解質の光学特性に変化を引き起こす、方法。
【請求項１６】
周囲の大気から前記第一の電極を介して、前記水を吸収することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一の電極上に配置される貯水層から、前記水を吸収することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記固体電解質の前記光学特性の変化によって、導電性ナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトさせる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記プロトンによって、前記第二の電極を反射状態から誘電状態へ変化させる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記固体電解質の前記光学特性の前記変化を検出することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記第二の電極が、誘電体層上に配置され、前記光学特性の前記変化は、前記固体電解質の屈折率の変化である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記固体電解質が、前記固体電解質の中に形成される、プラズモンナノ構造を包含し、前記固体電解質の前記光学特性の前記変化によって、前記プラズモンナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトさせる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
貴金属の層と、
マグネシウムの層と、
前記貴金属の層と前記マグネシウムの層との間に配置される、酸化ガドリニウムの層と、
前記酸化ガドリニウムにわたって電場を印加するように、前記貴金属の層および前記マグネシウムの層と電気連通する、電圧源であって、前記電場によって、前記貴金属の層と前記酸化ガドリニウムとの間の界面で、水を酸素イオンおよびプロトンに分解し、前記電場によって、前記プロトンを前記マグネシウムの層に向かって駆動し、前記プロトンによって、前記マグネシウムの層を反射状態から無反射状態へ変化させる、電圧源と、を備える、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、「Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ」と題する米国特許出願第６２／５２２，３０８号（２０１７年６月２０日出願）の米国特許法１１９条（ｅ）の下での優先権利益を主張し、参照により本明細書に組み込まれる。
政府支援
【０００２】
本発明は、アメリカ国立科学財団によって授与された認可番号ＤＭＲ−１４１９８０７の下、政府支援により行われた。政府は、本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
材料の光学特性を電気的に同調させることは、広範囲に研究されてきた。今日までの取り組みは、このような同調性を実現するために、液晶、エレクトロクロミック材料、および相変化材料の使用に集中していた。光学特性を制御するこれらの手段によって、光学フィルタおよび光ディスプレイを含む、多数の重要な用途が可能になった。
【０００４】
エレクトロクロミック材料および相変化材料は、全固体デバイスで光学特性の調節を提供し、マイクロエレクトロニクスプロセスと適合する。それらの材料は、高解像度ディスプレイおよび小型光変調器を作るのに使用することができる。エレクトロクロミック技術によって、高コントラストスイッチングおよび低消費電力が実現された。しかしながら、従来のエレクトロクロミックデバイスは、ゲート層の全体の厚さを増大させ、製作プロセスを複雑にする、イオン貯蔵層を必要とする。
【０００５】
近年は、光学特性を電気的に制御するために、相変化材料が使用されてきた。相変化材料によって、高局在性および不揮発性スイッチングを実現できるが、核生成支配の結晶化によって、均一な可逆的スイッチングを実現する能力が制限される。
【発明の概要】
【０００６】
本技術の実施形態は、第一の電極と、第二の電極と、第一の電極と第二の電極との間に配置される、固体電解質と、第一の電極および第二の電極と電気連通する、電圧源とを備えるデバイスを含む。動作中、電圧源によって、第一の電極および第二の電極にわたって電圧を印加する。この電圧によって、第一の電極と固体電解質との間の界面で、水を酸素およびプロトンに分解する。この水の供給源は、周囲の大気、液体水、またはゲルなどの水含有層の水分でありうる。電場によって、プロトンを第二の電極に向かって駆動する。そして、プロトンによって、固体電解質の光学特性の変化を引き起こす。この変化は、電圧を印加する約１００秒以内に起こりうる。一部の実施形態では、この変化は、約１００ミリ秒、１０ミリ秒、もしくは１ミリ秒、または１ミリ秒もしくは１００秒の間のいかなる値に起こりうる。デバイスは、例えば、およそ２０℃の室温で動作してもよい。また、最大約３００℃までの高温で動作しうる。
【０００７】
第一の電極はＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｎｉ、または要素のうちの二つ以上の合金でありうる。
【０００８】
第一の電極は、第一の電極と固体電解質との間の界面へ、水を通すのに十分な透過性がありうる。第一の電極はまた、導電性プラズモンナノ構造も備えることができ、その場合、固体電解質の光学特性の変化によって、導電性ナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトさせる。プラズモンナノ構造は、電極の最上部、または電極と固体電解質との間に配置されてもよい。またプロトンも吸収し、光学特性をも変化させてもよい。
【０００９】
固体電解質は、希土類酸化物ＲＥ２Ｏ３−δを含むことができ、ＲＥはＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｙｂ、またはＹのうちの少なくとも一つであり、δは０．０１と０．５との間である。酸化物電解質は、別の方法として、これら希土類要素のうちの二つまたは三つの混合物を含みうる。希土類酸化物はさらに、ＲＥ２Ｏ３−δとＲＥ（ＯＨ）３との間の中間体となるように、水を組み込んでもよい。固体電解質は、約４ｎｍから約８０ｎｍの厚さを有することができる。そして、固体電解質のプロトン導電性は、室温で約１０−１１ジーメンス／メートルから約１０−７ジーメンス／メートルであってもよい。
【００１０】
固体電解質は、ビクスビ鉱結晶構造を持つ酸化物であってもよい。
【００１１】
酸化物電解質は、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｃｒなどの一つ以上の遷移金属要素を含む、酸化物または混合水酸化物であってもよい。
【００１２】
酸化物電解質は、Ｍ＝Ｙ、Ｙｂである、ＢａＣｅ１−ｘＭｘＯ３−δまたはＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３−δなどの、プロトン導電性ペロブスカイトを含んでもよい。
【００１３】
デバイスは、二つの電極間に配置される、前述の酸化物のうちの二つ以上の層を含みうる。
【００１４】
第二の電極は、マグネシウム、イットリウム、もしくはランタン、またはこれらの要素の合金を含んでもよく、この場合、プロトンによって、マグネシウム、イットリウム、ランタン、または合金を反射状態から透明状態へ変化させる。電極材料は、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｂａ、およびＳｒのうちの一つ以上を含む、追加要素を含有してもよい。第二の電極はまた、隣接してＰｄ層をも有し、Ｐｄ層を固体電解質から分離してもよく、触媒として機能してもよい。
【００１５】
デバイスはまた、第一の電極を介して水を提供するように、第一の電極上に配置される貯水層も含みうる。別の方法としてまたは加えて、デバイスは基板、および基板と第二の電極との間に配置される誘電体層を含みうる。さらに、反射面として機能するように、基板と誘電体層との間に配置される反射層がありうる。
【００１６】
この誘電体層の屈折率は、固体電解質の屈折率とは異なってもよい。デバイスはまた、固体電解質の中に、または電解質と第二の電極との間の界面に形成される、プラズモンナノ構造も含むことができ、この場合、固体電解質の光学特性の変化、または水素のプラズモンナノ構造の中への挿入によって、プラズモンナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトできる。そしてデバイスは、プラズモンナノ構造の少なくとも一部分の上に配置される、金属層も含みうる。別の方法としてまたは加えて、第二の電極は、マグネシウム、イットリウム、ランタン、またはこれらの要素のうちの一つ以上の合金を含んでもよく、また追加要素を含有してもよく、この場合、プロトンによって、電極を反射状態から誘電状態へ変化させる。
【００１７】
他の実施形態は、第一の電極および第二の電極により、固体電解質にわたって電圧を印加することを伴う方法を含む。電圧によって、第一の電極と固体電解質との間の界面で、水を酸素およびプロトンに分解する。電圧はまた、プロトンを第二の電極に向かって駆動する電場も生成し、プロトンによって、固体電解質の光学特性の変化を引き起こす。固体電解質は、周囲の大気から第一の電極を介して、または第一の電極上に配置される貯水層から、水を吸収しうる。
【００１８】
例示的なデバイスは、貴金属の層と、マグネシウムの層と、貴金属の層とマグネシウムの層との間に配置される酸化ガドリニウムの層と、貴金属の層およびマグネシウムの層と電気連通する電圧源とを含みうる。動作中、電圧源によって、酸化ガドリニウムの両側上の電極にわたって電圧を印加する。電圧によって、貴金属の層と酸化ガドリニウムとの間の界面で、水を酸素イオンおよびプロトンに分解する。電圧によって、プロトンをマグネシウムの層に向かって駆動する電場を作り出す。そして、プロトンによって、マグネシウムの層を反射状態から無反射状態へ変化させる。
【００１９】
デバイスはまた、固体電解質の光学特性の変化によって、導電性ナノ構造のプラズモン共鳴の波長をシフトさせるように、第二の電極と連通するプラズモン金属ナノ構造も組み込んでもよい。
【００２０】
第二の電極と連通するプラズモンナノ構造は、プラズモンナノ構造内、またはプラズモンナノ構造に隣接する金属層内への、水素もしくはプロトンの組み込みによって、プラズモン共鳴の波長のシフトを呈しうる。プラズモンナノ構造は、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｕ、もしくはＡｇ、またはこれらの要素の組み合わせを含有しうる。
【００２１】
前述の概念および以下でより詳細に論じる追加的概念のすべての組み合わせは（このような概念は相互に矛盾していないという前提で）、本明細書に開示する本発明の主題の一部である。特に、本開示の最後に現れる請求項に記載する主題のすべての組み合わせは、本明細書に開示する発明主題の一部である。参照により本明細書に組み込まれる、いかなる開示においても現れうる、本明細書に使用する用語には、本明細書に開示する特定の概念と最も一致する意味を与える必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
特許または出願ファイルには、色付きで作成された少なくとも一つの図面が包含されている。色付き図面を伴う本特許または特許出願公開の複製は、要請および必要な料金の支払いに応じて、米国特許商標庁によって提供される。
当業者であれば、図面が主として例示的な目的であること、そして本明細書に記載する本発明の主題の範囲を制限することを意図していないことを理解するだろう。図面は必ずしも一定の比率ではなく、一部の例では、本明細書に開示する本発明の主題の様々な態様は、異なる特徴の理解を容易にするために、図面内で誇張または拡大されて示されうる。図面では、同様の参照文字は概して、同様の特徴（例えば、機能的に類似した、および／または構造的に類似した要素）を意味する。
【図１−１】図１Ａは、色が電気化学的にスイッチ可能な固体デバイスの断面を示す。
【図１−２】図１Ｂは、オン（左）状態とオフ（右）状態との間をスイッチする、図１Ａの固体デバイスの斜視図を示す。
【図１−３】図１Ｃは、貯水層を最上部の電極上に配置した、図１Ａの固体デバイスの断面を示す。
【図１−４】図１Ｄは、異なる気体環境で１８０秒間＋６Ｖを印加した後の、製作した電気化学的にスイッチ可能な固体デバイスの光学像を示す。図１Ｅは、シミュレーションした反射色を、酸化ガドリニウム（ＧｄＯｘ）固体電解質層の屈折率に応じる、電気化学的にスイッチ可能な固体デバイスに示す。図１Ｆは、左（１００ｎｍ）から右（４００ｎｍ）へＳｉＯ２の厚さが増大する、製作した電気化学的にスイッチ可能な固体デバイス（上の行）およびシミュレーションによる色（下の行）の光学像を示す。
【図２】図２Ａは、電気化学的にスイッチ可能な屈折率を持つ、固体デバイスの最上部電極について、平均化した時間に対する、印加電圧（下）および８ビットの赤―緑―青（ＲＧＢ）の値のプロットを示す。図２Ｂは、電気化学的にスイッチされる５０ｎｍのＧｄＯｘ膜が、ＶＧ＝−４Ｖから挿入物上にラベル付けされた電圧へスイッチする、６６０ｎｍのレーザーによって測定される、固体デバイスに対する時間の関数としての反射率を示す。図２Ｃは、電気化学的にスイッチされる５０ｎｍのＧｄＯｘ膜が、ＶＧ＝＋８Ｖから挿入物上にラベル付けされた電圧へスイッチする、６６０ｎｍのレーザーによって測定される、固体デバイスに対する時間の関数としての反射率を示す。図２Ｄは、電気化学的にスイッチされる１０ｎｍのＧｄＯｘ膜が、ＶＧ＝−３Ｖから挿入物上にラベル付けされた電圧へスイッチする、６６０ｎｍのレーザーによって測定される、固体デバイスに対する時間の関数としての反射率を示す。図２Ｅは、電気化学的にスイッチされる１０ｎｍのＧｄＯｘ膜が、ＶＧ＝＋４Ｖから挿入物上にラベル付けされた電圧へスイッチする、６６０ｎｍのレーザーによって測定される、固体デバイスに対する時間の関数としての反射率を示す。
【図３】図３Ａは、スイッチしない反射金属状態でプロトンを吸収する、楔形イットリウムの底面電極上に、電気化学的にスイッチ可能な固体酸化物を伴う、反射固体デバイスを示す。図３Ｂは、スイッチした無反射誘電状態の楔形イットリウムの底面電極を伴う、図３Ａの反射固体デバイスを示す。図３Ｃは、＋３Ｖの電圧印加（下）の前（上）および後（下）の、スイッチ可能なデバイスの実験的に測定された透過像を示す。図３Ｄは、＋３Ｖの電圧印加（下）の前（上）および後（下）の、スイッチ可能なデバイスのシミュレーションによる透過像を示す。
【図４】図４Ａ〜４Ｃは、反射金属状態と無反射誘電状態との間をスイッチする底面電極を伴う、電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜デバイスの動作を示す。
【図５】図５Ａは、固体電解質層の中に埋め込まれたプラズモンナノ構造（例えば、ナノディスクアレイ）を伴う、電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜デバイスを示す。図５Ｂは、図５Ａの電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜デバイスに電圧を印加した、シミュレーションによる反射率ピークの波長シフトのプロットである。
【図６−１】図６Ａは、電解質層の中に埋め込まれたプラズモンナノ構造（例えば、ナノディスクアレイ）を伴う、電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜プラズモンデバイスを示す。図６Ｂは、図６Ａに示すデバイスのような、電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜プラズモンデバイスの中に製作される、ナノディスクアレイを示す。
【図６−２】図６Ｃは、図６Ａの電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜プラズモンデバイスの、実際の画像（左）およびシミュレーションによる画像（右）を示す。
【図７−１】図７Ａは、ＧｄＯｘの電気化学的にスイッチ可能な層上にナノパターン形成した上部電極を伴う、固体デバイスの動作を示す。
【図７−２】図７Ｂは、図７Ａの固体デバイスに電圧を印加した、シミュレーションによる反射率ピークの波長シフトのプロットである。図７Ｃは、図７Ａの固体デバイスの、シミュレーションによるＧｄＯｘ層の反射率対屈折率のプロットである。
【図８】図８Ａは、電解質層の中に埋め込まれた、水素とスイッチ可能な材料で充填される小さなギャップを伴う、プラズモンナノ構造を有する、電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜プラズモンデバイスの断面図である。図８Ｂは、図８Ａの固体デバイスの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
電気化学的プロセスは、光学スイッチングおよび光学調節のために、固体材料の光学特性を可逆的に制御するように使用できる。電場を固体電解質に印加することで、固体電解質の光学特性を修正するイオンを輸送できる。（イオンによって、固体電解質の密度および導電性を含む、他の特性も変化しうる。）
【００２４】
これらのイオンは、貯蔵層の中へ組み込むことができ、または外部リザーバーから挿入できる。イオンはまた、外部環境と、固体電解質表面または電解質／電極の境界との間の界面で起きる電気化学的プロセスによっても生成されうる。イオンを周囲の大気から調達することによって、イオン貯蔵層の必要性を除去し、実用的な厚さを著しく減少できる。例えば、プロトンは、金属酸化物と金属電極との間の界面で触媒されうる、水分解反応を通して、外界の大気の中の水分から取得できる。
【００２５】
固体電解質の実用的な厚さはわずか１０ｎｍで、光学特性の電気化学的調節に基づく固体デバイスに、高度に局在する光学特性の調節に対する優れた有用性を与えることができる。一部の事例では、光学特性の変化は、最大約０．４までの屈折率調節であり、光変調器、光位相器、ビームステアリングデバイス、および動的ホログラム光学素子を含む、プログラム可能な光デバイスを有効にできる。デバイスの動作温度は、１０℃から３００℃に及ぶことができ、室温でありうる。
【００２６】
さらに、単純なデバイス構造によって、干渉色および透過スイッチング、ならびにプラズモンカラースイッチングを含む、非常に多目的な用途が可能になる。これらの用途には、高ピクセル密度および動的ホログラフィを伴う、低消費電力固体ディスプレイ用のアクティブプラズモンデバイスおよび再構成可能なメタマテリアルが含まれるが、これらに限定されない。
薄膜固体デバイスにおける電気化学的スイッチング
【００２７】
図１Ａは、光学スイッチングおよび調節に使用できる、薄膜固体デバイス１００の断面図を示す。デバイス１００は、最上部電極１１０として機能する、金属（例えば、Ａｕ、Ａｇ、またはＰｔのような貴金属）の薄層と、固体電解質１２０としてＧｄＯｘ、Ｙ２Ｏ３、またはＺｒＯ２の薄膜（例えば、厚さ３５ｎｍ）と、底面電極（Ｔａ／Ａｕ）層１３０とを含む。底面電極１３０は任意選択の誘電体膜１４０上にあり、次に、誘電体膜１４０は任意選択の半導体基板１５０上にあり、これは、デバイス１００が相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）製作プロセスを使用して作ることができることを示している。他の適切な基板には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの可撓性のある基板、または金属などの反射基板が含まれる。反射層はまた、基板上にも配置できる。ＳｉＯ２層１４０は、均一の厚さ、または厚さが２ｃｍの範囲にわたって１００ｎｍから４００ｎｍまで増加する楔のような、可変の厚さからなりうる。デバイス１００はまた、電極１１０、１３０へ接続し、透過、反射、および／または吸収を含む、デバイスの光学特性を作動させるように使用できる、電圧源１６０も含む。
【００２８】
固体電解質１２０のための適切な酸化物材料は、高いプロトン導電性を有し、ＲＥ２Ｏ３−δ形態の希土類酸化物を含んでもよいがこれに限定されず、ＲＥはＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｙｂ、またはＹのうちのいずれか一つである。これらの希土類酸化物は、ＧｄＯｘに加えてＹ２Ｏ３およびＺｒＯ２を含む。酸化物の不定比性δは、０．０１と０．５との間でありうる。酸化物電解質は、別の方法として、これら希土類要素のうちの二つまたは三つの混合物を含みうる。希土類酸化物はさらに、ＲＥ２Ｏ３−δとＲＥ（ＯＨ）３との間の中間体となるように、水を組み込んでもよい。酸化物電解質は、ビクスビ鉱構造に対応する結晶構造を有してもよい。酸化物電解質は、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｎ、およびＣｒなどの一つ以上の遷移金属要素を含む、酸化物または混合水酸化物であってもよい。デバイスが適切に働くように、固体電解質１２０の酸化物は、最上部電極１１０で被覆される前に、水蒸気に曝露されるべきである。結果として、固体電解質１２０はある程度の水酸化物含有量を持つ。
【００２９】
最上部（水分解）の電極１１０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｎｉ、またはこれら要素の合金から作られうる。
【００３０】
デバイス１００は、水を外界の大気から収集して分解するのに非常に効率的であり、これは、酸化物表面上のナノ粒子が、水分子を切断するための優れた触媒となるように相互作用できるという所見と一致する。最上部電極１１０の中のＡｕ層は、水および酸素が容易にＡｕ層を通って拡散できるように薄い（例えば、３ｎｍ）。約１．５Ｖ以上（例えば、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖ、または５Ｖ）であってもよい、正のゲート電圧ＶＧを、電圧源１６０を伴う最上部電極１１０に印可することによって、外界の大気中の水分含量は、電極での電子移動で確保される電荷保存により、最上部電極１１０と固体電解質１２０との間の界面で、Ｈ＋およびＯ２に分解する。最上部電極１１０は、分解により生成された電子を外部回路へ伝導しうる。プロトン（Ｈ＋）はその後、室温で約１０−１１ジーメンス／メートルから約１０−７ジーメンス／メートル（例えば、１０−９ジーメンス／メートル）のプロトン導電性を有する固体電解質１２０を通って、ＧｄＯｘ膜１２０、および一部の場合には、底面電極１３０の中へ組み込まれる前に、底面電極１３０からの電子と結合する、底面電極１３０へ輸送される。この輸送および組み込みプロセスによって、ＧｄＯｘ膜の屈折率、吸収、または厚さなどの光学特性のうちの一つ以上が変化する。室温では、この変化は、例えば、１００秒未満で起こり、デバイスの形状、デバイスの組成、および印可される電圧によって、１ミリ秒またはさらに１マイクロ秒くらい速い可能性がある。
【００３１】
図１Ｂは、クロスバー配列で実装されるデバイス１００の斜視図を示し、クロスバーの交差点で固体電解質１２０にわたって、底面電極１３０が水平に最上部電極１１０が垂直に伸びる。この例では、固体電解質１２０の交差点、すなわちゲート領域は、２００μｍ×２００μｍ平方と画定され、他の形および寸法もまた可能である。このゲート領域および電極は、マトリックス配列で複製されて、ピクセル化空間光変調器を作り出すことができる。
【００３２】
図１Ｃは、最上部電極１１０上に水含有層１７０を伴う、図１のデバイス１００を示す。この水含有層１７０は、水吸収ポリマー、吸湿性酸化物、ポリマーゲル、または液体水層から作られうる。水含有層１７０によって反応に水を提供し、周囲の大気中の水分への必要性を排除し、デバイス１００が乾燥した環境で動作するのを可能にする。
電気化学スイッチングによる色の変化
【００３３】
図１Ｄは、１８０秒間＋６Ｖのゲート電圧を印加する前（上）と後（下）との、室温での異なる外界の大気下における、製作したゲート領域の画像を示す。ゲート領域は、ＳｉＯ２の厚さ２６０ｎｍを有し、ＧｄＯｘ層１２０およびＳｉＯ２層１４０により形成される干渉空洞の中の干渉によって、青色が現れる。ゲート電圧が最上部電極１１０に印加されると、電気化学反応によって、ＧｄＯｘ層１２０の光学特性が変化し、空洞共鳴および反射色を同調させる。この色変化は、視覚的にまたは干渉計測法を使用して検出されうる。
【００３４】
図１Ｄの第一の列にある画像は、正の電圧＋６Ｖが、室温で１８０秒間、外界の大気の中でデバイスの最上部電極に印加されるときに観察される、色変化を示す。電圧によって、デバイスに大気からの水を酸素およびプロトンへ分解させる。プロトンがＧｄＯｘ層１２０の中へ移動し、層の屈折率および／または厚さを変化させ、デバイスを青色の代わりに緑色に見せる。
【００３５】
図１Ｄの他の列にある画像は、周囲の大気中の水含有量が、どのようにスイッチングに影響が与えるかを示し、各列は、異なる大気条件下における、スイッチング前（上）および後（下）の同一のデバイスの画像を含む。図１Ｄの最上行にある画像は、元の状態のデバイスを示す。その後、デバイスはチャンバーの中に置かれ、チャンバーは真空になるように下へポンピングされた。真空レベルが１０−３トールに到達した後に、乾燥窒素、乾燥酸素、または湿潤窒素が各デバイス用のチャンバーの中へ導入された。圧力レベルが２０トールに到達した後、＋６Ｖが１８０秒間、各デバイスの最上部電極へ印加され、その後、デバイスは開路状態のまま残された。また、同じ１８０秒の＋６Ｖ電圧印加が、チャンバーの中へ気体を導入することなく真空で、一つのデバイスに対しても行われた。図１Ｄの下の行の画像は、電圧印加後のこれらデバイスを示す。図１Ｄの画像は、同じ電圧の印加に対して、環境に水があったときには反射色の変化が起きたが、それ以外の場合には変化は起きなかったことを示す。
【００３６】
図１Ｅは、ＧｄＯｘ層の屈折率に応じた、図１Ｄに示すシミュレーションによるデバイスの反射色を示す。シミュレーションは、Ｏ．Ｓ．Ｈｅａｖｅｎｓの「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ」（Ｄｏｖｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．、１９９１年）に開示される転送行列法を使用して行ったものであり、文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。元の状態でのＧｄＯｘの屈折率は可視域で１．８とみなされ、電圧印加の下では２．４にまで増加する。ＧｄＯｘの屈折率を増加させることによって、シミュレーションによる色は、図１Ｄに示す観察された色変化と一致した。これは、印加された電圧によって、可視域におけるＧｄＯｘ層の屈折率が増加し、観察された色変化を引き起こすことを示唆している。
【００３７】
薄膜干渉による色は、固体層および誘電体層の光学特性ならびに厚さに依存する。この依存によって、異なる本来の色を持つデバイスを製作することが可能になり、色は電圧誘起により異なる色への変化を起こす。異なるＳｉＯ２の厚さを持つ楔に沿って、干渉色および色変化の範囲が実現できる。
【００３８】
図１Ｆは、単一の楔状誘電体層１４０および基板１５０上に形成される、いくつかのゲート領域の実際の写真（上の行の一対）およびシミュレーションによる写真（下の行の一対）を示す。各ゲート領域は、厚さが１００ｎｍから４００ｎｍまで増加するＳｉＯ２楔上のＡｕ（３ｎｍ）／ＧｄＯｘ（５０ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）の積層である。ＳｉＯ２楔はシリコン基板上にある。誘電体楔１４０の異なる一部分上にある各ゲート領域である。各ゲート領域は、誘電体楔１４０の全長よりも一層小さく、そのため、各ゲート領域の下にあるＳｉＯ２の厚さの変化はおよそ３ｎｍであり、それゆえ、各ゲート領域の下にあるＳｉＯ２の厚さは、均一であるように扱われる。
【００３９】
図１Ｆの行の各対において、上の行は元の状態のデバイスを示し、下の行は、室温の外界の大気中にて１８０秒間、＋６Ｖの電圧を印加した後のデバイスを示す。合わせて、これらの写真は、色が誘電体層の厚さで変わることを示している。色はまた、ＧｄＯｘ層およびＡｕ層（固体電解質１２０および上部電極１１０）の厚さを変化させることによって同調してもよい。これによって、調節したおよび無調節のデバイスの色を設定する、いくらかの自由度が与えられ、材料の選択を変更して、鮮やかさを最適化し、望ましい色変化を得ることができる。
可逆的な色の変化
【００４０】
図２Ａ〜２Ｅは、図１Ｄおよび１Ｆに示す色変化が可逆的であることを示す、測定のプロットである。色変化が可逆的であることを実証するために、＋５Ｖから−２Ｖまで動く方形波を、シリコン基板上で成長したＳｉＯ２（３８０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／Ａｕ（１０ｎｍ）／ＧｄＯｘ（４０ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）の積層を持つデバイスへのゲート電圧として印加した。デバイスは、ゲート電圧の印加中、顕微鏡カメラにより撮像した。図２Ａは、ゲート領域の平均８ビットの赤、緑、および青（ＲＧＢ）の値、ならびにＶＧ波形を示す。スイッチングは、第一サイクル後に可逆的となった。
【００４１】
図２Ｂ〜２Ｅは、異なる電圧の印加による過渡的なスイッチングを示す。これらの測定は、ＳｉＯ２（４００ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）／ＧｄＯｘ／Ａｕ（３ｎｍ）の層構造を持つデバイス上に、６６０ｎｍのレーザー光を向け、異なる印加電圧でダイオード検出器により、反射光の強度を測定することによってなされた。各トレースは、異なる印加電圧を表す。図２Ｂおよび２Ｃは、ＧｄＯｘ層の厚さ５０ｎｍでの反射率のパーセント変化を示し、図２Ｄおよび２Ｅは、ＧｄＯｘ層の厚さ１０ｎｍでの反射率のパーセント変化を示す。両方の構造で、駆動電圧の振幅が増加し、ＧｄＯｘ層の厚さが減少するにつれて、スイッチングはより速くなる。ＧｄＯｘの厚さ１０ｎｍでデバイスに＋４Ｖ／−３Ｖを印加すると、１００ｍｓより短いスイッチング時間が達成できる。これは、わずか１０ｎｍのＧｄＯｘで、高速の可逆的光学調節を達成することが可能であることを示している。
プロトンポンピングによる電極
【００４２】
図３Ａおよび３Ｂは、固体電解質の後の３２０が、金の上部電極３１０とイットリウム楔から作られる底面電極３３０との間に挟まれる、電気化学的にスイッチされる固体デバイス３００を示す。デバイスは、シリコン基板上にＴａ（３ｎｍ、図示せず）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｙ（５０〜１００ｎｍの楔）／Ｐｔ（３ｎｍ、図示せず）／ＧｄＯｘ（３５ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）の層構造を伴い作ることができる。３ｎｍのＰｔ層によって、水素がイットリウム楔３３０の中へ拡散するのを可能にしながら、イットリウム楔３３０を沈着中の酸化から保護する。
【００４３】
多くの材料は、水素の添加により変化する光学特性を有する。これらの材料には、Ｙ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｍｇ−Ｙ、Ｍｇ−Ｌａ、Ｍｇ−Ｓｃ、Ｍｇ−Ｇｄ、Ｍｇ２Ｎｉ、およびＷＯ３が含まれるが、これらに限定されない。この水素吸収によって、それら材料の屈折率を含む、光学特性が変化する。この変化は、図３Ａおよび３Ｂのデバイス３００において、電圧源３６０で正の電圧ＶＧを最上部電極３１０に印加することによって活かすことができる。電圧によって、外界の水分から水素イオンを生成し、Ｙ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｍｇ−Ｙ、Ｍｇ−Ｌａ、Ｍｇ−Ｓｃ、Ｍｇ−Ｇｄ、Ｍｇ２Ｎｉ、またはＷＯ３から作られうる、底面電極３３０の方へ水素イオンをポンピングする。本事例では、電極３３０はイットリウムから作られ、水素を吸収し、反射金属状態３３０（図３Ａ）から無反射誘電状態ＹＨｘ３３０’（図３Ｂ）へ変化する。
【００４４】
図３Ｃは、異なるイットリウムの厚さに対する、＋３Ｖのゲート電圧印加の前（上）および後（下）の図３Ａおよび３Ｂのデバイスの実際の画像を示す。製作時、イットリウム電極３３０は鏡のように振る舞い、そのため、異なるイットリウムの厚さで、固体電解質層３２０の薄膜干渉、および固体電解質層３２０とイットリウム電極３３０との間の界面における反射によって、非常に類似した反射色を得る。水素化イットリウム層３３０’が水素を吸収した後、誘電体のように振る舞い、固体電解質層３２０および誘電体イットリウム層３３０’に薄膜干渉、ならびに水素化イットリウム層３３０’とアルミニウム鏡３４０との間の界面に反射を引き起こすため、電圧を印加することによって、異なる色変化が引き起こされる。言い換えると、電圧の印加によって、ＧｄＯｘ層およびイットリウム層の屈折率を変化させ、吸収および共鳴空洞の長さを増大させる。水素化イットリウム層３３０’の厚さは楔に沿って変わり、そのため、共鳴空洞の長さは、楔に沿う横方向位置に応じて変化し、デバイス３００の異なる一部に異なる色を反射させる。
【００４５】
図３Ｄは、電圧印加により２．４にまで増加するように、ＧｄＯｘの屈折率を採用した、図３Ｃの測定のシミュレーションを示す。図３Ｄのシミュレーションと、図３Ｃの実験測定との間に十分な一致があり、電気化学反応によって、水を、底面電極へと移動しその中へ組み込まれるプロトンに分解することを示す。
透過スイッチングおよび空間光変調
【００４６】
図４Ａ〜４Ｃは、例えば、空間光変調器、可変減衰器、可変フィルタ、またはスイッチとして使用するために、金属層の光学特性をスイッチすることによって、固体デバイス４００の透過をどのように変化できるかを示す。デバイス４００は、３ｎｍ厚の金の電極４１０を３５ｎｍ厚のＧｄＯｘ電解質層４２０上に有し、次に電解質層４２０は、１００ｎｍ厚のイットリウム電極４３０上にある。デバイスは、電解質層４２０とイットリウム電極４３０との間に５ｎｍ層のパラジウム（図示せず）を含む。イットリウム電極４３０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で覆われるガラス基板４４０上に製作される。最上部電極４１０へ接続する電圧源４６０によって、デバイス４００が作動する。
【００４７】
図４Ａ〜４Ｃの挿入物は、可逆的スイッチングのための透過において、固体デバイス４００をどのように使用できるかを図示する写真である。デバイス４００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のバックライトパネル４５０上に置かれた。製作時、イットリウム層４３０はほとんど光を伝えず、そのため、図４Ａの挿入物は暗い。ゲート電圧ＶＧ＝＋５Ｖを１２０秒間印加した後、イットリウム層４３０は水素化イットリウムとなり、より多くの光がデバイスを通って透過した（図４Ｂの挿入物）。変化を逆転させるように、負のゲート電圧ＶＧ＝−３Ｖを１時間印加して、画像を透過させると、再び暗くなった（図４Ｃの挿入物）。
電気化学的にスイッチされるプラズモンデバイス
【００４８】
図５Ａおよび５Ｂは、回折限界よりも細かい空間解像度での空間色調節に有用な、スイッチ可能なプラズモンカラーを実現するために、どのように電気化学スイッチングを適用できるかを示す。図５Ａは、図中では金属ナノディスクアレイ５４０であるプラズモンナノ構造が、薄い金の電極５１０とより厚いＩＴＯ電極５４０との間に挟まれる、酸化ガドリニウム層５３０に埋め込まれた、電気化学的にスイッチ可能なプラズモンデバイス５００を示す。デバイス５００は、約６１０ｎｍで反射率ピークを呈する。最上部電極５１０へ連結する電圧源５６０により、酸化ガドリニウム層５３０にわたって正の電圧を印加することによって、酸化ガドリニウム層の屈折率を増加させ、図５Ｂに示すように、反射率のピーク波長を約６１０ｎｍから約７００ｎｍへシフトさせる。酸化ガドリニウム層５３０にわたって負の電圧を印加することによって、酸化ガドリニウム層の屈折率を減少させ、図５Ｂに示すように、反射率のピーク波長を約７００ｎｍから約６１０ｎｍへシフトさせる。
【００４９】
図６Ａは、プラズモン構造６５０が、マグネシウム電極６３０上の固体電解質層６２０に埋め込まれた、スイッチ可能なプラズモンデバイス６００を示す。デバイス６００は、基板６４０として、シリコン上に光学的に厚い（例えば、１００ｎｍ）アルミニウム層を伴って作られた。マグネシウム（４０ｎｍ）、パラジウム（５ｎｍ）、およびＧｄＯｘ（５ｎｍ）の層は、基板６４０上に沈着して、マグネシウム電極６３０および固体電解質６２０の一部を形成した。その後、アルミニウムナノディスクを包含する正方形パッチのパレットが、ＧｄＯｘ上に製作された。各パッチは、異なる柱直径（ｓ）、および最も近い柱間の異なる距離（ｄ）を有する。
【００５０】
図６Ｂは、ｓ＝１２０ｎｍおよびｄ＝７０ｎｍであるナノディスクアレイの、通常の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。スケールバーの長さは２００ｎｍである。ナノディスク製作後、３５ｎｍのＧｄＯｘ層がナノディスクおよび５ｎｍのＧｄＯｘ層上に沈着し、３ｎｍの最上部Ａｕ電極６１０が続いた。製作時、デバイスは、底面電極層６３０としてＰｄ／Ｍｇ、および底面電極６３０とナノディスク６５０との間の絶縁ギャップとして５ｎｍのＧｄＯｘを伴う、ギャッププラズモン共振器を形成する。この絶縁ギャップの厚さによって、ある程度までデバイスの色が決定される。
【００５１】
図６Ｃは、ナノディスク６５０の異なるパッチの実際の画像（左）、およびシミュレーションによる画像（右）を示す。実際の画像は、上に記載した通りに取得された。シミュレーションによる画像は、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションによって計算された。その後、デバイスの色をＤ６５光源で表示した。Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｇ、およびＳｉＯ２の屈折率は、Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋの「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１９８５年）から取られたもので、文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ＹＨ３およびＭｇＨ２の屈折率は、Ａ．  Ｔ．Ｍ．ｖａｎ  Ｇｏｇｈらの「Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ａｎｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｌａ１−ｚＹｚＨｘ  ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ  ｍｉｒｒｏｒｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ６３、１９５１０５（２００１年）、およびＪ．Ｉｓｉｄｏｒｓｓｏｎらの「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＭｇＨ２  ｍｅａｓｕｒｅｄ  ｉｎ  ｓｉｔｕ  ｂｙ  ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ６８、１１５１１２（２００３年）から取られたもので、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００５２】
ナノディスク６５０と底面電極６３０との間の小さなギャップによって、ｓ＞８０ｎｍのナノディスク６５０の大部分に対するギャッププラズモン共鳴が、可視から赤外線へ赤方シフトする。したがって、ナノディスク６５０のこれらパッチは、電圧が印加される前、図６Ｃの最上行にある黄色の影とほぼ同じに見える。
【００５３】
図６Ｃの中央の行は、１２０秒間の＋５Ｖの電圧印加後の、パッチの実際の画像（左）およびシミュレーションによる画像（右）を示す。正の電圧を最上部のＡｕ電極６１０に印加すると、Ｍｇ層６３０がＭｇからＭｇＨ２へ変化するように、水素がＭｇ層６３０の中へポンピングし、ＭｇＨ２は、金属のＭｇのように可視光を反射せずに、可視波長で透明となる。結果として、ＭｇＨ２および５ｎｍのＧｄＯｘは共に、ナノディスク６５０と反射アルミニウム６４０との間に誘電体を形成する。言い換えると、正の電圧をデバイス６００に印加することによって、ナノディスク６５０の底と最も近い反射鏡との間にあるギャップを増大させる。これによって、デバイスの共鳴を電磁スペクトルの可視部分へ戻すように青方シフトさせ、シフトの量は、Ｍｇ層６３０の光学的厚さに依存する。
【００５４】
図６Ｃの下の行は、１時間ゲート電圧ＶＧ＝−２Ｖにさらされた後の、デバイスの実際の画像（左）およびシミュレーションによる画像（右）を示す。これらの画像は、製作時（図６Ｃの最上行）のデバイスの画像と非常に類似しており、プラズモン応答スイッチングの可逆性を示している。スイッチング機構は非常に柔軟で、異なるサイズ、ピッチ、および材料のディスクを含む、他のプラズモン構造、異なる形にパターン形成された他の導電層（例えば、異なる形、サイズ、ピッチの穴だけでなく、正方形、六角形のアレイなど）、ならびにより複雑な構造の中へ組み込むことができる。ナノディスク６５０は、印加される電圧に応じて、プラズモン構造から誘電体構造へ変化し戻るような、マグネシウムまたは他の水素吸収金属から作られうる。
ナノパターン形成の電極を持つ、電気化学的にスイッチされるデバイス
【００５５】
図７Ａ〜７Ｃは、固体金属電極７３０とナノパターン形成電極７１０との間に酸化ガドリニウム電解質層７２０を持つ、電気化学的にスイッチされる固体デバイス７００を示す。動作中、ナノパターン形成電極７１０によって、より大きな三相界面（すなわち、電極と、電解質と、気体燃料との間の境界）を提供し、電解質層７２０の中へおよび外へ移動するように、水分にチャネルを提供する。一部の事例では、ナノパターン形成電極７１０はまた、酸化物および最下層の光学特性に依存し、電圧によって同調できるプラズモン応答を呈しうる。
【００５６】
ナノパターン形成電極７１０は、金、銀、白金、または別の適切な導電性材料から作られてもよく、三角形配列の円筒孔でパターン形成される。異なる形およびサイズの孔を伴い、異なる形の配列に並べられるナノパターンを含む、他のナノパターンもまた可能である。ナノパターン形成電極７１０は、ゲート電圧ＶＧを電解質層７２０にわたって印加する、電圧源７６０へ連結する。
【００５７】
上で説明したように、ナノパターン形成電極７１０および固体電極７３０を介して、酸化ガドリニウム電解質層７２０にわたって電圧を印加することによって、酸化ガドリニウム電解質層７２０の屈折率を増加させ、デバイスの反射率ピークの中心波長をシフトさせる。図７Ｂは、中心波長が約５００ｎｍから約６００ｎｍへ増加し、薄いデバイスで比較的低い電圧に対して約１００ｎｍの増加を示している。図７Ｃは、酸化ガドリニウム電解質層の屈折率が、約５Ｖの印加電圧により、約１．８から約２．２へ増加する（２２％を超える増加）ことを示している。
【００５８】
図８Ａおよび８Ｂは、小さなギャップが、電解質層８２０の中に埋め込まれた、水素にスイッチ可能な材料で充填される、プラズモンナノ構造を有する、電気化学的にスイッチ可能な固体薄膜プラズモンデバイス８００を示す。電解質層８２０は、金の電極８１０と、透明なインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）電極８４０との間にある。金から作られ、ボウタイの形に形成されたプラズモンナノ構造８５０は、ＩＴＯ電極８４０と固体電解質８２０との間にある。そして、スイッチ可能な金属層８３０（例えば、マグネシウム、イットリウム、ランタン、またはそれらの合金から作られるは、金のプラズモンナノ構造８５０の電解質側にある。
結論
【００５９】
結論として、固体薄膜デバイスは、アクティブな電解質層の屈折率を電気化学的にスイッチするために、周囲の環境にある水分を使用する。反射および透過の両方を、電気化学スイッチング機構を使用して制御できる。例えば、薄膜干渉デバイスからの色は、不揮発的かつ可逆的に、電圧印加によって制御できる。
【００６０】
外界の水分を使用することによって、デバイスはイオン貯蔵層なしで動作でき、光学特性の制御を高度に局在化できるように、活性酸化物を数ナノメートルくらい薄く作ることができる。加えて、超薄の固体積層によって、可撓性のある基板の使用が可能になる。そして、底面電極を水素吸収金属層の外に出すことによって、さらに調節範囲が増大する。多目的なシステムには、同調フィルタ、センサ、およびディスプレイを含め、ナノスケールで光学特性の制御を実現するように、プラズモンデバイスおよびアクティブメタマテリアルに適用される大きな可能性がある。
【００６１】
本明細書において様々な発明の実施形態を記載し、例示してきたが、当業者は、本明細書に記載の機能を実施し、ならびに／または結果および一つ以上の利点を得るための、様々な他の手段および／または構造を容易に想定し、かかる変形および／または変更の各々は、本明細書に記載の発明に関する実施形態の範囲内であるとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書に記載するすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示を意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の一つまたは複数の用途に依存することを容易に理解するだろう。当業者は、本明細書に記載する特定の発明に関する実施形態の多くの同等物を認識し、またはただ通常の実験を用いて確認することができる。したがって、前述の実施形態は、例としてのみ提示され、添付した特許請求の範囲およびその同等物の範囲内であり、発明の実施形態が、具体的に記載し請求する以外の形でも実践されうることを理解されたい。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載する個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【００６２】
また、様々な発明の概念が、一つ以上の方法として具現化されてもよく、その例を提供してきた。方法の一部として行われる行為は、任意の適切な手段で順序付けられうる。したがって、行為が例示するものとは異なる順序で行われる実施形態を構築してもよく、それは、例示的実施形態に連続する行為として示す場合であっても、一部の行為を同時に行うことを含みうる。
【００６３】
本明細書で定義および使用するすべての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文書の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。
【００６４】
本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明確にそうでないと示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。
【００６５】
本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、「および／または」という語句は、結合された要素の「いずれかまたは両方」を意味し、すなわち、一部の場合には接続的に存在し、他の場合には離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」で挙げられる複数の要素は、同じ形式、すなわち、等位接続される要素のうちの「一つ以上」と解釈されるべきである。他の要素は、具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に識別される要素以外に、随意に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「備える」などの制限のない語法と連動して使われるときに、一実施形態においては、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡとＢと両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。
【００６６】
本明細書および特許請求の範囲において使用する場合、「または」は、上で定義した「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離するとき、「または」または「および／または」は包括的なもの、すなわち、多数の要素または要素のリスト、および随意にリストに無い追加の項目のうちの少なくとも一つを含むが、二つ以上も含むと解釈されるものとする。それとは反対であると明確に指示した用語のみ、例えば、「のうちの一つのみ」もしくは「のうちの正確に一つ」、または特許請求の範囲において使用するときの「から成る」は、多数の要素またはリストの要素のうちの正確に一つの要素の包含を指す。概して、本明細書で使用する場合、「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、または「のうちの正確に一つ」など、排他性の用語が先行するときには、排他的な選択肢（すなわち「両方ともでなくどちらか一方」）を示すとのみ解釈されるものとする。「から基本的に成る」は、特許請求の範囲で使用する場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有するものとする。
【００６７】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、一つ以上の要素のリストに関連する「少なくとも一つ」という語句は、要素のリストの中の要素のいずれか一つ以上から選択される、少なくとも一つの要素を意味するが、要素のリスト内で具体的に列挙したありとあらゆる要素のうちの、少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストのいかなる要素の組み合せも除外するものではない、と理解されるべきである。この定義はまた、「少なくとも一つ」という語句が指す、要素のリスト内で具体的に識別される以外の要素が、具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意に存在しうることを許容する。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうち少なくとも一つ」（または、等価的に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも一つ」、もしくは、等価的に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一つ」）は、一実施形態においては、Ｂは存在せず、任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においては、Ａは存在せず、任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態においては、任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ、および任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。
【００６８】
特許請求の範囲、ならびに上記の明細書で、すべての移行句、例えば、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「持つ（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保つ（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」、および類似のものは制限がないと理解され、すなわち、含むがそれに限定はされないということを意味する。「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「から基本的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という移行句のみが、米国特許局の特許審査手続便覧、セクション２１１１．０３に記載されている、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句であるものとする。
【図１−１】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図１−４】
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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６−１】
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【図６−２】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【国際調査報告】
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