JP2001004859A - 周期性を示す材料を含む物品を製造する方法 - Google Patents
周期性を示す材料を含む物品を製造する方法Info
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
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- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ミクロンスケールの周期性を示す材料、たと
えば光子バンドギャップ材料を提供する。 【解決手段】 本発明のプロセスは、コロイド状結晶を
含むテンプレートを提供するステップと、結晶の格子間
のボイド内に溶融した材料を導入するステップとを有す
る。この導入ステップは、通常、結晶と溶融材料を圧力
環境のもとに曝すことにより行われ、それにより溶融材
料が結晶内のボイドに強制的に入るようになる。その後
この材料を冷却し、コロイド状結晶粒子を加熱エッチン
グあるいは分解により除去する。その結果得られた材料
は、均質でかつ高密度の構造体を構成する。このような
好ましい構造体は、本発明の連続的液相を用いて従来ボ
イド堆積を充填するが、これは従来の最終構造体内に空
孔と非均整が生成されるものを改善していることを特徴
とする。
えば光子バンドギャップ材料を提供する。 【解決手段】 本発明のプロセスは、コロイド状結晶を
含むテンプレートを提供するステップと、結晶の格子間
のボイド内に溶融した材料を導入するステップとを有す
る。この導入ステップは、通常、結晶と溶融材料を圧力
環境のもとに曝すことにより行われ、それにより溶融材
料が結晶内のボイドに強制的に入るようになる。その後
この材料を冷却し、コロイド状結晶粒子を加熱エッチン
グあるいは分解により除去する。その結果得られた材料
は、均質でかつ高密度の構造体を構成する。このような
好ましい構造体は、本発明の連続的液相を用いて従来ボ
イド堆積を充填するが、これは従来の最終構造体内に空
孔と非均整が生成されるものを改善していることを特徴
とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三次元の周期性を
示す構造体に関し、特に光学アプリケーションに用いら
れるこの種の構造体に関する。
示す構造体に関し、特に光学アプリケーションに用いら
れるこの種の構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年様々な光学アプリケーションに対
し、光子結晶（Photonic Crystal;ＰＣ）と称する周期
的誘電体構造、特に光子バンド構造（光子バンドギャッ
プ；photonic band gap（ＰＢＧ）材料と称する）内の
ギャップを示す光子結晶に興味が持たれている。これに
関しては、P.S.J.Russell著の"Photonic Band Gaps,"Ph
ysics World,37,August 1992とI.Amato著の"Designing
Crystals That Say No toPhotons,"Science,Vol.255,15
12(1993年)と米国特許第５，６００，４８３号と第５，
１７２，２６７号を参照のこと。
し、光子結晶（Photonic Crystal;ＰＣ）と称する周期
的誘電体構造、特に光子バンド構造（光子バンドギャッ
プ；photonic band gap（ＰＢＧ）材料と称する）内の
ギャップを示す光子結晶に興味が持たれている。これに
関しては、P.S.J.Russell著の"Photonic Band Gaps,"Ph
ysics World,37,August 1992とI.Amato著の"Designing
Crystals That Say No toPhotons,"Science,Vol.255,15
12(1993年)と米国特許第５，６００，４８３号と第５，
１７２，２６７号を参照のこと。
【０００３】ＰＢＧ材料は、光子バンドギャップを示
し、これは、半導体材料の電子バンドギャップに類似し
たものであり、光のある種の周波数の伝搬を抑制し、そ
れにより、たとえば光子ローカリゼーション（localiza
tion：局在性）、あるいは自然放射の停止を示してい
る。光子結晶（ＰＣ）は、高屈折率の誘電体材料に低屈
折率のキャビティ（すなわちボイド）の三次元格子を具
備させることにより形成される。材料内に入った光子
は、光子のエネルギーに依存して高屈折率領域または低
屈折率領域のいずれかに集中し、光子バンドギャップが
これら二つの領域の間の特定のエネルギーの光子に対し
存在する。
し、これは、半導体材料の電子バンドギャップに類似し
たものであり、光のある種の周波数の伝搬を抑制し、そ
れにより、たとえば光子ローカリゼーション（localiza
tion：局在性）、あるいは自然放射の停止を示してい
る。光子結晶（ＰＣ）は、高屈折率の誘電体材料に低屈
折率のキャビティ（すなわちボイド）の三次元格子を具
備させることにより形成される。材料内に入った光子
は、光子のエネルギーに依存して高屈折率領域または低
屈折率領域のいずれかに集中し、光子バンドギャップが
これら二つの領域の間の特定のエネルギーの光子に対し
存在する。
【０００４】光子バンドギャップ（ＰＢＧ）以下のエネ
ルギーしか有さない光子は、この材料中を伝搬すること
ができず、その結果その波は、光子が材料に入ったとた
んに減衰する。そのため光子バンド構造は、物理的構造
の精度およびその屈折率に依存し、このような構造を製
造する際に問題が発生する。具体的に説明すると、ミク
ロンスケールの周期性を有する三次元格子を高屈折率材
料で構成することは困難である（本明細書で使用される
ミクロンスケールの周期性とは０．１μｍから１００μ
ｍの範囲内の距離で繰り返しを有する構造体を意味す
る）。
ルギーしか有さない光子は、この材料中を伝搬すること
ができず、その結果その波は、光子が材料に入ったとた
んに減衰する。そのため光子バンド構造は、物理的構造
の精度およびその屈折率に依存し、このような構造を製
造する際に問題が発生する。具体的に説明すると、ミク
ロンスケールの周期性を有する三次元格子を高屈折率材
料で構成することは困難である（本明細書で使用される
ミクロンスケールの周期性とは０．１μｍから１００μ
ｍの範囲内の距離で繰り返しを有する構造体を意味す
る）。
【０００５】前記の米国特許に記載された１つのアプロ
ーチは、固体材料に機械加工、たとえばドリリングまた
はエッチング等のリソグラフ技術を用いて無数の穴をあ
けることである。このアプローチは、有効な結果をもた
らすが、必要な構造体を提供するために現在の処理技術
の性能に制限されてしまう。たとえばドリリングは、ミ
クロンスケールの周期性を与えることはできない。また
リソグラフ技術は、全ての三次元に対し十分な寸法の物
体を提供することができない。
ーチは、固体材料に機械加工、たとえばドリリングまた
はエッチング等のリソグラフ技術を用いて無数の穴をあ
けることである。このアプローチは、有効な結果をもた
らすが、必要な構造体を提供するために現在の処理技術
の性能に制限されてしまう。たとえばドリリングは、ミ
クロンスケールの周期性を与えることはできない。また
リソグラフ技術は、全ての三次元に対し十分な寸法の物
体を提供することができない。
【０００６】別のアプローチにおいては、コロイド状結
晶と称するシリカまたはポリスチレンのような高屈折率
粒子を沈殿させたり、あるいはコロイド状の懸濁物をテ
ンプレートとして用い、所望の構造体内に高屈折率材料
を浸透させたり、あるいは堆積させ、その後この高屈折
率粒子をエッチングで除いたり、あるいは焼却して消滅
させることによりボイドを形成している。これに関して
は、B.T.Holland et al.著の「"Synthesis of Macropor
ous Minerals with Highly Ordered Three−Dimensiona
l Arrays of Spheroidal Voids,"Science,Vol.281,538
(July 1998)」とE.G．Judith著の「"Preparation of Ph
otonic Crystals Made of Air Spheres in Titania,"Sc
ience,Vol.281,802(July 1998)」とA.A.Zakhidov et a
l.著の「"Carbon Structures with Three−Dimensional
Periodicity at Optical Wavelengths,"science,Vol.2
82,897(October 1998)」を参照のこと。
晶と称するシリカまたはポリスチレンのような高屈折率
粒子を沈殿させたり、あるいはコロイド状の懸濁物をテ
ンプレートとして用い、所望の構造体内に高屈折率材料
を浸透させたり、あるいは堆積させ、その後この高屈折
率粒子をエッチングで除いたり、あるいは焼却して消滅
させることによりボイドを形成している。これに関して
は、B.T.Holland et al.著の「"Synthesis of Macropor
ous Minerals with Highly Ordered Three−Dimensiona
l Arrays of Spheroidal Voids,"Science,Vol.281,538
(July 1998)」とE.G．Judith著の「"Preparation of Ph
otonic Crystals Made of Air Spheres in Titania,"Sc
ience,Vol.281,802(July 1998)」とA.A.Zakhidov et a
l.著の「"Carbon Structures with Three−Dimensional
Periodicity at Optical Wavelengths,"science,Vol.2
82,897(October 1998)」を参照のこと。
【０００７】この浸透／堆積は、たとえばアルコキシル
基酸化物（alkoxide）ゾル−ゲル技術により、あるいは
ＣＶＤにより行われている。かくして得られたものは興
味のあるものであるが、市販できる製品を提供するには
程遠いものがある。具体的に説明すると、高屈折率材料
の浸透／堆積は、均一でなくなる傾向（低屈折率部分が
低密度）がある。たとえば、alkoxideゾル−ゲル堆積と
ＣＶＤのプロセスの間、結晶の外側近傍のボイド内のゲ
ル化／堆積が阻止される。さらにまた不十分な浸透によ
り高屈折率材料中にボイドを形成し、それにより収縮を
起こし、かくしてテンプレート材料の除去プロセスの間
クラックが発生することがある。
基酸化物（alkoxide）ゾル−ゲル技術により、あるいは
ＣＶＤにより行われている。かくして得られたものは興
味のあるものであるが、市販できる製品を提供するには
程遠いものがある。具体的に説明すると、高屈折率材料
の浸透／堆積は、均一でなくなる傾向（低屈折率部分が
低密度）がある。たとえば、alkoxideゾル−ゲル堆積と
ＣＶＤのプロセスの間、結晶の外側近傍のボイド内のゲ
ル化／堆積が阻止される。さらにまた不十分な浸透によ
り高屈折率材料中にボイドを形成し、それにより収縮を
起こし、かくしてテンプレート材料の除去プロセスの間
クラックが発生することがある。
【０００８】これらの上記のプロセスに対する改善は、
同一出願に係わる米国特許出願第０９／２４５，５７７
号と第０９／２４５，５７７号に開示されている。
同一出願に係わる米国特許出願第０９／２４５，５７７
号と第０９／２４５，５７７号に開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、所望
の密度と所望の機械的な完全性を提供でき、ミクロンス
ケールの周期性を示す光子バンドギャップ材料を提供す
ることである。
の密度と所望の機械的な完全性を提供でき、ミクロンス
ケールの周期性を示す光子バンドギャップ材料を提供す
ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のプロセスは、コ
ロイド状結晶を含むテンプレートを提供するステップ
と、結晶の格子間のボイド内に溶融材料を導入するステ
ップとを有する。この導入ステップは、通常結晶と溶融
した材料を圧力環境のもとに曝すことにより行われ、こ
れにより溶融した材料が結晶内のボイド内に強制的に入
るようになる。その後この材料を冷却し、コロイド状結
晶粒子を加熱エッチングあるいは分解により除去する。
その結果得られた材料は、均質でかつ高密度の構造体を
構成する。このような好ましい構造体は、本発明の連続
的液相を用いて従来ボイド堆積を充填するが、これは従
来の最終構造体内に空孔と非均整が生成されるものを改
善している。 本明細書において周期性とは、繰り返し
単位の三次元の周期性の列からなる構造体を意味する。
これに関しては、N.W.Ashcroft et al.著のSolid State
Ohysics,64,W.B.Saounders Co.(１９７６年)を参照の
こと。
ロイド状結晶を含むテンプレートを提供するステップ
と、結晶の格子間のボイド内に溶融材料を導入するステ
ップとを有する。この導入ステップは、通常結晶と溶融
した材料を圧力環境のもとに曝すことにより行われ、こ
れにより溶融した材料が結晶内のボイド内に強制的に入
るようになる。その後この材料を冷却し、コロイド状結
晶粒子を加熱エッチングあるいは分解により除去する。
その結果得られた材料は、均質でかつ高密度の構造体を
構成する。このような好ましい構造体は、本発明の連続
的液相を用いて従来ボイド堆積を充填するが、これは従
来の最終構造体内に空孔と非均整が生成されるものを改
善している。 本明細書において周期性とは、繰り返し
単位の三次元の周期性の列からなる構造体を意味する。
これに関しては、N.W.Ashcroft et al.著のSolid State
Ohysics,64,W.B.Saounders Co.(１９７６年)を参照の
こと。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明のプロセスは、コロイド状
結晶を含むテンプレートを用意するステップと、このコ
ロイド状結晶の格子間ボイド内に溶融した材料を導入す
なわち浸透させるステップとを含む。この浸透は、結晶
と溶融材料を圧力環境のもとに曝すことにより行われる
／または促進される。この圧力により溶融した材料は結
晶内のすべてのボイド内に入り込む。その後この材料を
冷却し、コロイド状結晶粒子が加熱エッチングまたは分
解により取り除かれる。その結果得られた構造は、結晶
テンプレートを反映したボイドの周期的列を含む以前に
は溶融材料であった材料からなる格子である。
結晶を含むテンプレートを用意するステップと、このコ
ロイド状結晶の格子間ボイド内に溶融した材料を導入す
なわち浸透させるステップとを含む。この浸透は、結晶
と溶融材料を圧力環境のもとに曝すことにより行われる
／または促進される。この圧力により溶融した材料は結
晶内のすべてのボイド内に入り込む。その後この材料を
冷却し、コロイド状結晶粒子が加熱エッチングまたは分
解により取り除かれる。その結果得られた構造は、結晶
テンプレートを反映したボイドの周期的列を含む以前に
は溶融材料であった材料からなる格子である。
【００１２】コロイド状結晶は、溶液内に懸濁された小
粒子から通常形成される周期的構造体である。このよう
な周期的構造体は、溶液内に均一のサイズの粒子をゆっ
くり沈降させ、そして粒子が周期的に配列するようにし
て形成される。他の製造技術を用いることも可能であ
る。光子バンドギャップのアプリケーションにおいて
は、平均的粒子直径は１００ｎｍから５μｍの範囲であ
る。しかし所望の構造体および最終生産物によっては他
のサイズの様々な種類のサイズを用いることができる。
また様々な材料からコロイド状結晶を形成することも可
能である。このような例としては、ポリスチレン、ポリ
メチルメタクリレート、シリカが含まれる。ポリスチレ
ンおよび他の有機材料は、適当な加熱または適当な溶剤
で分解することにより最終生成物の形成後容易に除去で
きる。シリカ粒子は、酸エッチングたとえばＨＦにより
容易に除去できる。
粒子から通常形成される周期的構造体である。このよう
な周期的構造体は、溶液内に均一のサイズの粒子をゆっ
くり沈降させ、そして粒子が周期的に配列するようにし
て形成される。他の製造技術を用いることも可能であ
る。光子バンドギャップのアプリケーションにおいて
は、平均的粒子直径は１００ｎｍから５μｍの範囲であ
る。しかし所望の構造体および最終生産物によっては他
のサイズの様々な種類のサイズを用いることができる。
また様々な材料からコロイド状結晶を形成することも可
能である。このような例としては、ポリスチレン、ポリ
メチルメタクリレート、シリカが含まれる。ポリスチレ
ンおよび他の有機材料は、適当な加熱または適当な溶剤
で分解することにより最終生成物の形成後容易に除去で
きる。シリカ粒子は、酸エッチングたとえばＨＦにより
容易に除去できる。
【００１３】コロイド状沈殿物の格子構造は、二次元の
周期性を示すが、必ずしも三次元の周期性を示すもので
はない。具体的に説明するとコロイド状粒子の沈殿は、
重力に直交する方向のclose-packed面にランダムに積層
されるようになる。このようにランダムに積層された構
造体は、必ずしも三次元の周期性を示すとは限らない。
その理由は、重力の方向がランダムだからである。この
ような材料は、ある種のアプリケーションたとえばフィ
ルターと触媒のようなアプリケーションには用いること
ができる。
周期性を示すが、必ずしも三次元の周期性を示すもので
はない。具体的に説明するとコロイド状粒子の沈殿は、
重力に直交する方向のclose-packed面にランダムに積層
されるようになる。このようにランダムに積層された構
造体は、必ずしも三次元の周期性を示すとは限らない。
その理由は、重力の方向がランダムだからである。この
ような材料は、ある種のアプリケーションたとえばフィ
ルターと触媒のようなアプリケーションには用いること
ができる。
【００１４】しかし多くのＰＢＧアプリケーションにお
いては、実質的に三次元の周期性を示すような材料が好
ましい。このような材料を得る１つの方法は、テンプレ
ートの結晶を構成するためにコロイド状エピタキシー技
術を用いることである。これに関しては、A.van Blaade
ren et al.著の「Template-directed colloidal crysta
llization,Nature,Vol.385,321(January 1997)」を参照
のこと。コロイド状エピタキシー方法は、下のパターン
に直交して、コロイド状結晶を成長させ、たとえば一連
のホールを生成させ、これは面心立方（ＦＣＣ）結晶の
たとえば（１００）面の整列結晶を生成する。このホー
ルがさらに沈殿を制御するようにコロイド状粒子を落ち
着かせるような第１層を順序よく並べる。
いては、実質的に三次元の周期性を示すような材料が好
ましい。このような材料を得る１つの方法は、テンプレ
ートの結晶を構成するためにコロイド状エピタキシー技
術を用いることである。これに関しては、A.van Blaade
ren et al.著の「Template-directed colloidal crysta
llization,Nature,Vol.385,321(January 1997)」を参照
のこと。コロイド状エピタキシー方法は、下のパターン
に直交して、コロイド状結晶を成長させ、たとえば一連
のホールを生成させ、これは面心立方（ＦＣＣ）結晶の
たとえば（１００）面の整列結晶を生成する。このホー
ルがさらに沈殿を制御するようにコロイド状粒子を落ち
着かせるような第１層を順序よく並べる。
【００１５】ほとんど全ての溶融材料は、その結果得ら
れた整列構造体のアプリケーションによっては本発明で
用いることができる。例えば、Ｓｅ，Ａｓ2Ｓｅ3 とＧ
ｅ，Ｔｅあるいは他のカルコゲニドドガラス（chalcoge
nide glass）のような材料を光子バンドギャップのアプ
リケーションに用いることができる。ポリマー材料も他
のアプリケーションに用いることができ、溶融塩（molt
en salt）も用いることができる。低融点の材料は、実
際面から魅力的であるが、溶融した状態でコロイド状結
晶内に導入できるならどのような材料も使用可能であ
る。
れた整列構造体のアプリケーションによっては本発明で
用いることができる。例えば、Ｓｅ，Ａｓ2Ｓｅ3 とＧ
ｅ，Ｔｅあるいは他のカルコゲニドドガラス（chalcoge
nide glass）のような材料を光子バンドギャップのアプ
リケーションに用いることができる。ポリマー材料も他
のアプリケーションに用いることができ、溶融塩（molt
en salt）も用いることができる。低融点の材料は、実
際面から魅力的であるが、溶融した状態でコロイド状結
晶内に導入できるならどのような材料も使用可能であ
る。
【００１６】コロイド状沈殿物あるいは結晶が形成され
ると、溶融すべき材料はこの結晶の上に粉末形態あるい
は、ペレットの形態で配置される。温度を少なくともそ
の材料の融点（一般的にはそれよりも高い温度）に上昇
させて低粘度にする（まず最初に材料を溶融し、この溶
融した材料と結晶とを混合することも可能である）。そ
の後、この溶融材料を結晶内に適宜の技術を用いて導入
する。これらの技術は、溶融材料と結晶の特性に依存し
て変わる。
ると、溶融すべき材料はこの結晶の上に粉末形態あるい
は、ペレットの形態で配置される。温度を少なくともそ
の材料の融点（一般的にはそれよりも高い温度）に上昇
させて低粘度にする（まず最初に材料を溶融し、この溶
融した材料と結晶とを混合することも可能である）。そ
の後、この溶融材料を結晶内に適宜の技術を用いて導入
する。これらの技術は、溶融材料と結晶の特性に依存し
て変わる。
【００１７】一般的に結晶を真空状態におき、そして格
子間のボイドを真空引きし、その後結晶と溶融した材料
を加圧環境内に配置して溶融した材料を結晶のボイド内
に浸透させるのが好ましい。圧力がかからない場合に
は、溶解物は、コロイド状結晶内の格子間ボイド内を十
分かつ均一には充填できない。必要とされる圧力のレベ
ルは、様々なファクターに依存する。たとえば、溶解物
の粘度と溶解物と結晶の濡れ特性と、結晶内のボイド／
コロイド状粒子のサイズに依存する。たとえば、溶解物
による良好な濡れ性は、所望の浸透を達成するのに必要
とされる圧力が低くてもよいことになる。さらに、また
溶解物とコロイド状結晶の濡れ性を、コロイド状結晶の
表面を調整して濡れ性を発揮させたり、あるいは溶解物
に添加物を含ませることにより調整することもできる。
溶融材料が結晶に対し非常に高い濡れ性を与えるような
場合には、溶融材料が結晶内に十分働きかけて有効な構
造体を達成するようにさせるだけでよい。しかし通常の
場合加圧が必要である。
子間のボイドを真空引きし、その後結晶と溶融した材料
を加圧環境内に配置して溶融した材料を結晶のボイド内
に浸透させるのが好ましい。圧力がかからない場合に
は、溶解物は、コロイド状結晶内の格子間ボイド内を十
分かつ均一には充填できない。必要とされる圧力のレベ
ルは、様々なファクターに依存する。たとえば、溶解物
の粘度と溶解物と結晶の濡れ特性と、結晶内のボイド／
コロイド状粒子のサイズに依存する。たとえば、溶解物
による良好な濡れ性は、所望の浸透を達成するのに必要
とされる圧力が低くてもよいことになる。さらに、また
溶解物とコロイド状結晶の濡れ性を、コロイド状結晶の
表面を調整して濡れ性を発揮させたり、あるいは溶解物
に添加物を含ませることにより調整することもできる。
溶融材料が結晶に対し非常に高い濡れ性を与えるような
場合には、溶融材料が結晶内に十分働きかけて有効な構
造体を達成するようにさせるだけでよい。しかし通常の
場合加圧が必要である。
【００１８】溶融材料の充填が所望の程度まで達成され
たあと、その結果得られた材料を冷却する。本発明の特
徴は、冷却され導入された材料内のボイドの存在と大き
さが制御できる点である。ボイド制御の一つの技術は、
加える圧力である。具体的に説明すると、隣接するコロ
イド状粒子の接点の周囲のコロイド状粒子の表面に溶融
材料が濡れ性を与える程度は、どの程度の圧力が溶融材
料を接点の近傍のcrevice（裂け目）内に押し込む量に
比例する。別の技術は、コロイド状結晶をシンター（si
nter；焼結する）して、その結果隣接する粒子が結合す
る。これは、互いに単に接触するのとは異なる。このよ
うな結合は溶融材料の流れに影響を及ぼし、かくして導
入された材料から構成される最終製品内のボイドの存在
とサイズに影響を及ぼす。シンタリングと圧力をそれぞ
れ独立にあるいは同時にして制御して最終製品内のボイ
ド形成を制御することも可能である。
たあと、その結果得られた材料を冷却する。本発明の特
徴は、冷却され導入された材料内のボイドの存在と大き
さが制御できる点である。ボイド制御の一つの技術は、
加える圧力である。具体的に説明すると、隣接するコロ
イド状粒子の接点の周囲のコロイド状粒子の表面に溶融
材料が濡れ性を与える程度は、どの程度の圧力が溶融材
料を接点の近傍のcrevice（裂け目）内に押し込む量に
比例する。別の技術は、コロイド状結晶をシンター（si
nter；焼結する）して、その結果隣接する粒子が結合す
る。これは、互いに単に接触するのとは異なる。このよ
うな結合は溶融材料の流れに影響を及ぼし、かくして導
入された材料から構成される最終製品内のボイドの存在
とサイズに影響を及ぼす。シンタリングと圧力をそれぞ
れ独立にあるいは同時にして制御して最終製品内のボイ
ド形成を制御することも可能である。
【００１９】カルコゲナイドガラスあるいは結晶を回帰
するのは好ましい材料に対しては、特に高速冷却；高速
冷却（fast quench）（毎分５０℃）を用いるのが好ま
しい。ポリマーのような他の材料では冷却速度はあまり
重要ではない。更にまた固化するときに大幅に収縮する
ような材料は、最終構造物内にボイドを導入しやすい。
するのは好ましい材料に対しては、特に高速冷却；高速
冷却（fast quench）（毎分５０℃）を用いるのが好ま
しい。ポリマーのような他の材料では冷却速度はあまり
重要ではない。更にまた固化するときに大幅に収縮する
ような材料は、最終構造物内にボイドを導入しやすい。
【００２０】かくして本発明は、連続的液相により結晶
の格子間ボイドを完全に充填することにより、高均一で
高密度の構造体を得ることができる。特に、本発明の方
法（制御しながらの後行程冷却技術）を用いてたとえ
ば、１００体積％の格子間ボイドを高レベルで充填する
ことができる。ここで「１００体積％」とは、充填量を
測定するために用いる技術の実験的誤差範囲以内で１０
０体積％が入ることを意味する。通常導入された材料か
らなる最終構造物の少なくとも小部分、たとえば通常の
測定技術の実験的誤差範囲に入る部分、たとえば０．５
体積％がボイドを形成し、これによりコロイド状結晶粒
子が除去される（たとえば液状エッチング材が入り、ガ
ス状または液状材料が出ることにより）。しかし、コロ
イド状結晶粒子の除去が望ましくない場合には、最終構
造物により充填される格子間ボイドのすべてを有するの
が望ましい。かくして本発明は、ボイドの周期的列を包
囲する相互接続された格子の形成が可能となり、この状
態においてボイドは、ミクロンスケールの周期性を有
し、格子材料そのものは最大１００％の固体材料を含
む。格子材料内に十分な量のボイドが上記の方法により
得られるが、通常この格子材料は、少なくとも８０体積
％の固体材料を含有する。
の格子間ボイドを完全に充填することにより、高均一で
高密度の構造体を得ることができる。特に、本発明の方
法（制御しながらの後行程冷却技術）を用いてたとえ
ば、１００体積％の格子間ボイドを高レベルで充填する
ことができる。ここで「１００体積％」とは、充填量を
測定するために用いる技術の実験的誤差範囲以内で１０
０体積％が入ることを意味する。通常導入された材料か
らなる最終構造物の少なくとも小部分、たとえば通常の
測定技術の実験的誤差範囲に入る部分、たとえば０．５
体積％がボイドを形成し、これによりコロイド状結晶粒
子が除去される（たとえば液状エッチング材が入り、ガ
ス状または液状材料が出ることにより）。しかし、コロ
イド状結晶粒子の除去が望ましくない場合には、最終構
造物により充填される格子間ボイドのすべてを有するの
が望ましい。かくして本発明は、ボイドの周期的列を包
囲する相互接続された格子の形成が可能となり、この状
態においてボイドは、ミクロンスケールの周期性を有
し、格子材料そのものは最大１００％の固体材料を含
む。格子材料内に十分な量のボイドが上記の方法により
得られるが、通常この格子材料は、少なくとも８０体積
％の固体材料を含有する。
【００２１】この合成材料をその後処理してコロイド状
粒子を除去する。無機材料の場合には、適宜のエッチン
グ材を用いてたとえば、シリカをＨＦに曝すことにより
行われる。有機材料の場合には、合成材料を有機溶剤で
処理してコロイド状粒子を分解させる。また熱を加えて
有機材料を消却しても良い。他の技術、たとえば有機材
料の放射（irradiation）あるいはプラズマ補助のエッ
チングも用いることができる。（ある種のアプリケーシ
ョンにおいては、コロイド状結晶材料の存在は許容可能
な場合もある。）
粒子を除去する。無機材料の場合には、適宜のエッチン
グ材を用いてたとえば、シリカをＨＦに曝すことにより
行われる。有機材料の場合には、合成材料を有機溶剤で
処理してコロイド状粒子を分解させる。また熱を加えて
有機材料を消却しても良い。他の技術、たとえば有機材
料の放射（irradiation）あるいはプラズマ補助のエッ
チングも用いることができる。（ある種のアプリケーシ
ョンにおいては、コロイド状結晶材料の存在は許容可能
な場合もある。）
【００２２】この整列した構造体は、様々な光学アプリ
ケーションに有効である。たとえば、光フィルタ、光学
スイッチ、導波路、ルーター、レーザーキャビティ、あ
るいは他の光子バンドギャップのアプリケーションに有
効である。ＰＢＧ材料を設計する際の考慮事項は、従来
公知で、たとえば、J.D.Joannopoulos et al.著のPhoto
nic Crystals,Princeton University Press(１９９５
年）を参照のこと。他のアプリケーションはフィルタ、
触媒、生物適合材料等である。
ケーションに有効である。たとえば、光フィルタ、光学
スイッチ、導波路、ルーター、レーザーキャビティ、あ
るいは他の光子バンドギャップのアプリケーションに有
効である。ＰＢＧ材料を設計する際の考慮事項は、従来
公知で、たとえば、J.D.Joannopoulos et al.著のPhoto
nic Crystals,Princeton University Press(１９９５
年）を参照のこと。他のアプリケーションはフィルタ、
触媒、生物適合材料等である。
【００２３】本発明を以下の実験例を例にさらに説明す
る。実験例１ コロイド状結晶が、８０％のエタノールと２０％のキシ
レン内で０．４％の重量のシリカコロイドの溶剤から１
μｍのシリカをガラス基板上に沈殿させて形成された。
キシレンとエタノールの溶剤が蒸発した後、その結果得
られた乾燥したコロイド状結晶を１０℃／分で４００℃
まで加熱し、その温度で３０分間保持した。ガラス基板
上にある結晶をその後ガラス瓶の底部に配置し、６ｇの
セレニウム粉末をこの結晶の上部に配置した。コロイド
状結晶とセレニウムを有するガラス瓶を高圧セル内に配
置した。この高圧セルを真空引きし、その後セレニウム
の融点である２７５℃まで加熱した。この２７５℃の温
度を数分間保持し、その後圧力セルを１０００ｐｓｉま
で圧力を加え、セレニウム流体をコロイド状結晶の格子
間のスペース内に入れた。５分後、セルを氷の入った水
で冷却した。セルの温度が２５℃になると（約５分かか
った）セル内の圧力をもどし、サンプルを取り除いた。
その後このガラス瓶を取り除き得られた構造物を５％Ｈ
Ｆ溶剤の中に配置してコロイド状結晶を溶解した。図１
は、その結果得られた構造物の電子走査型顕微鏡の写真
である。
る。実験例１ コロイド状結晶が、８０％のエタノールと２０％のキシ
レン内で０．４％の重量のシリカコロイドの溶剤から１
μｍのシリカをガラス基板上に沈殿させて形成された。
キシレンとエタノールの溶剤が蒸発した後、その結果得
られた乾燥したコロイド状結晶を１０℃／分で４００℃
まで加熱し、その温度で３０分間保持した。ガラス基板
上にある結晶をその後ガラス瓶の底部に配置し、６ｇの
セレニウム粉末をこの結晶の上部に配置した。コロイド
状結晶とセレニウムを有するガラス瓶を高圧セル内に配
置した。この高圧セルを真空引きし、その後セレニウム
の融点である２７５℃まで加熱した。この２７５℃の温
度を数分間保持し、その後圧力セルを１０００ｐｓｉま
で圧力を加え、セレニウム流体をコロイド状結晶の格子
間のスペース内に入れた。５分後、セルを氷の入った水
で冷却した。セルの温度が２５℃になると（約５分かか
った）セル内の圧力をもどし、サンプルを取り除いた。
その後このガラス瓶を取り除き得られた構造物を５％Ｈ
Ｆ溶剤の中に配置してコロイド状結晶を溶解した。図１
は、その結果得られた構造物の電子走査型顕微鏡の写真
である。
【００２４】実験例２ １６０μｌのヒドラジンと、１０μｌの０．１３７ＭＬ
ｉＣｌと、２０μｌのＨ2Ｏと、１０μｌの２．５％の
ポリビニルアルコール入りのＨ2Ｏと、５０μｌの２重
量％の水中での１．６ｕｍシリカコロイドからなる溶剤
から１．６μｍのシリカをパターン化されたシリコン基
板上に沈殿することにより、高方向性のコロイド状結晶
を形成した。この基板のパターンは、１．６μｍピッチ
の０．８１μｍのホールの列である。流体が蒸発した
後、その結果得られた乾燥したコロイド状結晶を１０℃
／分で４００℃まで加熱し、その温度で３０分間保持し
た。シリコン製基板上にある結晶をその後ガラス瓶の底
部に配置し、６ｇのセレニウム粉末をこの結晶の上部に
配置した。コロイド状結晶とセレニウムを有するガラス
瓶を高圧セル内に配置した。この高圧セルを最初に真空
引きし、その後セレニウムの融点である２７５℃まで加
熱した。この２７５℃の温度を数分間保持し、その後圧
力セルを１０００ｐｓｉまで圧力を加え、セレニウム流
体がコロイド状結晶の格子間のスペース内に入れた。５
分後、セルを氷の入った水で冷却した。セルの温度が２
５℃になると（約５分かかった）セル内の圧力を解き、
サンプルを取り除いた。その後このガラス瓶を得られた
構造物を５％ＨＦ溶剤の中に配置してコロイド状結晶を
溶解した。図２は、その結果得られた構造物の電子走査
型顕微鏡の写真である。
ｉＣｌと、２０μｌのＨ2Ｏと、１０μｌの２．５％の
ポリビニルアルコール入りのＨ2Ｏと、５０μｌの２重
量％の水中での１．６ｕｍシリカコロイドからなる溶剤
から１．６μｍのシリカをパターン化されたシリコン基
板上に沈殿することにより、高方向性のコロイド状結晶
を形成した。この基板のパターンは、１．６μｍピッチ
の０．８１μｍのホールの列である。流体が蒸発した
後、その結果得られた乾燥したコロイド状結晶を１０℃
／分で４００℃まで加熱し、その温度で３０分間保持し
た。シリコン製基板上にある結晶をその後ガラス瓶の底
部に配置し、６ｇのセレニウム粉末をこの結晶の上部に
配置した。コロイド状結晶とセレニウムを有するガラス
瓶を高圧セル内に配置した。この高圧セルを最初に真空
引きし、その後セレニウムの融点である２７５℃まで加
熱した。この２７５℃の温度を数分間保持し、その後圧
力セルを１０００ｐｓｉまで圧力を加え、セレニウム流
体がコロイド状結晶の格子間のスペース内に入れた。５
分後、セルを氷の入った水で冷却した。セルの温度が２
５℃になると（約５分かかった）セル内の圧力を解き、
サンプルを取り除いた。その後このガラス瓶を得られた
構造物を５％ＨＦ溶剤の中に配置してコロイド状結晶を
溶解した。図２は、その結果得られた構造物の電子走査
型顕微鏡の写真である。
【図１】ミクロンスケールの周期性を有する本発明（実
験例１）による構造体を表す図
験例１）による構造体を表す図
【図２】ミクロンスケールの周期性を有する本発明（実
験例２）による構造体を表す図
験例２）による構造体を表す図
フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ポール バンネスト ブラウン アメリカ合衆国、07922 ニュージャージ ー、バークリー ハイツ、ティンバー ド ライブ 65 (72)発明者 ピエール ウィルチウス アメリカ合衆国、07946 ニュージャージ ー、ミリントン、ディアー ラン 26
Claims (15)
- 【請求項１】 （Ａ） コロイド状結晶を含むテンプレ
ートを用意するステップと、 （Ｂ） 前記コロイド状結晶結晶の格子間のボイド内に
溶融した材料を導入するステップと、 （Ｃ） 前記溶融した材料を冷却するステップと、 （Ｄ） 前記コロイド状結晶を除去するステップとから
なることを特徴とする周期性を示す材料を含む物品を製
造する方法 - 【請求項２】 前記（Ｂ）ステップは、前記溶融した材
料とコロイド状結晶を圧力環境内に配置することにより
行うことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記加圧力は、冷却され導入された材料
内のボイド数量に比例することを特徴とする請求項２記
載の方法。 - 【請求項４】 前記（Ｂ）ステップの前に、コロイド状
結晶を低圧環境下におくことを特徴とする請求項１記載
の方法。 - 【請求項５】 前記周期性を示す材料は、光子バンドギ
ャップを示すことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項６】 前記溶融した材料は、Ｇｅ，Ｔｅ，カル
コゲニドドガラス，ポリマー材料からなる群から選択さ
れた材料であることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項７】 前記周期性は、ミクロンスケールである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項８】 前記冷却し導入された材料は、格子間ボ
イドの少なくとも９９体積％を充填することを特徴とす
る請求項１記載の方法。 - 【請求項９】 （Ａ） コロイド状結晶を含むテンプレ
ートを用意するステップと、 （Ｂ） 前記コロイド状結晶の格子間のボイド内に溶融
した材料を導入するステップと、 （Ｃ） 前記溶融した材料を冷却するステップとを有す
ることを特徴とする周期性を示す材料を含む物品を製造
する方法 - 【請求項１０】 前記（Ｂ）ステップは、前記溶融した
材料とコロイド状結晶を圧力環境内に配置することによ
り行うことを特徴とする請求項９記載の方法。 - 【請求項１１】 前記（Ｂ）ステップの前にコロイド状
結晶を低圧環境下におくことを特徴とする請求項９記載
の方法。。 - 【請求項１２】 前記溶融材料は、Ｇｅ，Ｔｅ，カルコ
ゲニドナイドガラス，ポリマー材料からなる群から選択
された材料であることを特徴とする請求項９記載の方
法。 - 【請求項１３】 周期性を示す材料を含む物品におい
て、 前記材料は、ボイドの周期的列を包囲する相互接続され
た格子構造を含み前記ボイドは、ミクロンスケールの周
期性を有し、 前記格子構造は、少なくとも８０体積％の固体材料を含
むことを特徴とする周期性を示す材料を含む物品。 - 【請求項１４】 前記格子構造は、１００固体％の固体
を含むことを特徴とする請求項１３記載の物品。 - 【請求項１５】 前記周期性を示す材料は、光子バンド
ギャップを示すことを特徴とする請求項１３記載の物
品。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US31216599A | 1999-05-14 | 1999-05-14 | |
| US09/312165 | 1999-05-14 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001004859A true JP2001004859A (ja) | 2001-01-12 |
Family
ID=23210169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000142466A Pending JP2001004859A (ja) | 1999-05-14 | 2000-05-15 | 周期性を示す材料を含む物品を製造する方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1052312A1 (ja) |
| JP (1) | JP2001004859A (ja) |
| CA (1) | CA2307481A1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002318354A (ja) * | 2001-04-23 | 2002-10-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 光波形整形装置 |
| JP2007510183A (ja) * | 2003-10-31 | 2007-04-19 | コーニング インコーポレイテッド | 大型コロイド結晶およびマクロポーラス・ポリマー並びにそれらの製造方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7118845B2 (en) | 2000-06-15 | 2006-10-10 | 3M Innovative Properties Company | Multiphoton photochemical process and articles preparable thereby |
| CN100392444C (zh) | 2003-12-05 | 2008-06-04 | 3M创新有限公司 | 制造光子晶体和其中可控制的缺陷的方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4632517A (en) * | 1983-12-08 | 1986-12-30 | University Of Pittsburgh | Crystalline colloidal narrow band radiation filter |
| GB8811894D0 (en) * | 1988-05-19 | 1988-06-22 | Secr Defence | Colloid spheres in suspension |
| US5600483A (en) * | 1994-05-10 | 1997-02-04 | Massachusetts Institute Of Technology | Three-dimensional periodic dielectric structures having photonic bandgaps |
-
2000
- 2000-04-18 EP EP00303291A patent/EP1052312A1/en not_active Withdrawn
- 2000-05-03 CA CA002307481A patent/CA2307481A1/en not_active Abandoned
- 2000-05-15 JP JP2000142466A patent/JP2001004859A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002318354A (ja) * | 2001-04-23 | 2002-10-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 光波形整形装置 |
| JP4514984B2 (ja) * | 2001-04-23 | 2010-07-28 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光波形整形装置 |
| JP2007510183A (ja) * | 2003-10-31 | 2007-04-19 | コーニング インコーポレイテッド | 大型コロイド結晶およびマクロポーラス・ポリマー並びにそれらの製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2307481A1 (en) | 2000-11-14 |
| EP1052312A1 (en) | 2000-11-15 |
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