JP2007328188A - 近接場相互作用制御素子 - Google Patents

Abstract

【課題】近接場相互作用を高効率で制御でき、誘電率を大きく変化させることができる近接場相互作用制御素子を提供する。
【解決手段】金属、金属アニオンまたは金属カチオンで形成され、直径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、比誘電率が−２．５以上−１．５以下である複数の微粒子を含む近接場光導波部と、前記近接場光導波部に含まれる複数の微粒子との間で電子の注入または排出を行い、前記近接場光導波部の誘電率を変化させる電子注入排出部と、前記近接場導波部へ近接場光を導入する近接場光導入部と、前記近接場導波部を導波した近接場光を出射させる近接場光出射部とを具備したことを特徴とする近接場相互作用制御素子。
【選択図】 図５

Description

本発明は、微粒子間の近接場相互作用制御素子に関する。

情報伝達手段は長距離通信から順に光を媒体とする傾向が見られ、光通信は基幹系光通信からＦＴＴＨ（fiber to the home）へと普及してきている。今後は装置間、ボード間、チップ間、チップ内へと光による情報伝達の採用が進むと考えられている。しかし、光は波長以下の領域へ閉じ込めることが難しく（回折限界）、チップ間またはチップ内で光素子を形成するには特別な技術が必要とされる。

従来、微小領域で光を制御するために、近接場を用いる技術（微小ドット列）、プラズモンを用いる技術（特許文献１）、励起子を用いる技術（特許文献２）が知られている。
特開２００３−２０７６６７号公報 特開２００４−１５７３２６号公報

ナノフォトニクス機能素子の開発は始まったばかりであり、今後数多くの近接場機能素子の研究開発が必要となる。特に近接場相互作用の制御が重要であり、その相互作用により近接場が励起される微小物質の誘電率（光の周波数での誘電率；屈折率）の変化が重要になる。しかし、現状では、誘電率を大幅に制御する手法がなく、今後種々の手法の開発が望まれている。

本発明の目的は、近接場相互作用を高効率で制御でき、誘電率を大きく変化させることができる近接場相互作用制御素子を提供することにある。

本発明の一態様に係る近接場相互作用制御素子は、金属、金属アニオンまたは金属カチオンで形成され、直径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、比誘電率が−２．５以上−１．５以下である複数の微粒子を含む近接場光導波部と、前記近接場光導波部に含まれる複数の微粒子との間で電子の注入または排出を行い、前記近接場光導波部の誘電率を変化させる電子注入排出部と、前記近接場導波部へ近接場光を導入する近接場光導入部と、前記近接場導波部を導波した近接場光を出射させる近接場光出射部とを具備する。

本発明の他の態様に係る近接場相互作用制御素子は、光照射、磁場変化または温度変化により絶縁相から金属相へ相変化を起こす物質で形成され、直径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、金属相へ相変化したときの比誘電率が−２．５以上−１．５以下である複数の微粒子を含む近接場光導波部と、前記近接場光導波部に含まれる複数の微粒子に光照射、磁場変化または温度変化を行わせ誘電率を変化させる部分と、前記近接場導波部へ近接場光を導入する近接場光導入部と、前記近接場導波部を導波した近接場光を排出する近接場光排出部とを具備する。

本発明の近接場相互作用制御素子によれば、近接場相互作用を高効率で制御でき、誘電率を大きく変化させることができる。

以下、本発明の実施形態に係る近接場相互作用制御素子について詳細に説明する。

近接場光の相互作用は伝播光とは異なる。いま、２つの微粒子が近接して存在しているとする。微粒子は直径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、微粒子間の間隔は微粒子の直径以下である。直径が０．５ｎｍ未満の微粒子は形成することが困難である。直径が３ｎｍを超える微粒子では近接場相互作用の変化が小さい。これらの２つの微粒子間に新たに誘起される近接場相互作用は分極率Ｐに比例することが知られている。２つの微粒子間に新たに誘起される分極率Ｐは、各々の微粒子の分極率αに比例する。１つの微粒子の分極率αは次式で表される。ただし、ここではデコヒーレンスのダンピング項を無視する。

ここで、εは微粒子の誘電率、ａは半径である。図１に１つの微粒子の分極率αの誘電率依存性を示す。ダンピング項がないと仮定しているため、分極率αは−２で発散することがわかる。

次に、２個の微粒子が存在するとき、一方の微粒子に光を照射すると、他方の微粒子との間に近接場相互作用が働き、近接場相互作用に誘起されて分極率Ｐが増加する。この分極率Ｐの増加分は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、２つの微粒子の配置と光電場偏光方向との関係に応じて、それぞれｘ方向およびｙ方向の近接場誘起双極子モーメント係数Δｐ_xおよびΔｐ_yとして表される。

図３にΔｐ_xの絶対値の誘電率依存性を計算した結果を示す。図４にΔｐ_yの絶対値の誘電率依存性を計算した結果を示す。

図３および図４に示されるように、Δｐ_xおよびΔｐ_yのいずれも、微粒子の比誘電率が−２のときに大きく発散することがわかる。したがって、−２の近傍、具体的には−２．５以上−１．５以下の範囲で微粒子の比誘電率を変化させることができれば、微粒子間の相互作用を大きく変化させることが可能になるという結論に達した。ちなみに、誘電率が負の値をとるということは、その物質が金属であることを示している。

物質の誘電率を制御する方法として非線形光学効果を用いる方法があるが、非線形光学効果による誘電率変化は実質的に１％以下であり、ほとんど変化しないといえる。

これに対して、クーロンブロッケードを示す物質に関しては、電子の注入または排出により電子軌道を変化させることによって、伝播光を屈折率すなわち誘電率を大きく変化させる方法が提案されている（特開２００５−１５６９２２号公報）。また、クーロンブロッケードを示すことが判明している物質以外にも、同様の電子注入により伝播光の屈折率（誘電率）が変化する物質が見出されている。このような物質の例としては、電子注入により占有軌道の電子殻の変化をともなう元素のカチオンとアクセプターの組み合わせ、金属キレート錯体、ならびにメタロセンおよびその誘導体が挙げられる。これらの物質のなかには、屈折率（誘電率）の変化が１％を超え、特に１０％を超えるものも存在する。

上述した原理による誘電率変化について、より詳細に説明する。誘電率などの光学定数は物質の電子軌道で決定される。特に、最外殻電子軌道の影響が大きい。したがって、最外殻の電子軌道を大きく変化させる方法があれば、誘電率を大きく変化することができる。

電子の注入前と注入後で最外殻電子軌道が大きく異なる物質について説明する。電子を注入することによって、電子軌道の状態を注入前と比較して大きく変えるためには、量子ドットを用いればよい。量子ドットとはｎｍオーダー以下のサイズを有し、エネルギー準位が離散化された微粒子をいい、エネルギー準位が離散化していれば、有機分子も含む。量子ドットは、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、有機分子のいずれでもありうる。代表的な量子ドットの材料は、ナノ粒子材料である、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔなどの金属、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、ダイヤモンド、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＳｂなどのIII−Ｖ族半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなどのII−VI族半導体からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。量子ドットはサイズが小さいため、各エネルギー準位の状態密度がバルクより小さく、注入された１電子の影響が大きくなる。上記の材料のうち、金属は屈折率分散が大きく紫外、可視、赤外領域のいずれかの波長領域で誘電率が−２の近傍になる。また、中性、または電子が注入されたアニオン状態、または電子が放出したカチオン状態のいずれかで、誘電率が−２の近傍であってもよい。特に、金、銀、銅はラマン散乱においてプラズモン増強効果（Surface enhanced Raman scattering; SERS, Tip Enhanced Raman scattering; TERS）が報告されており、この点からも近接場−プラズモン相互作用とそれによる効果が高いといえる。

また、正の値および負の値の誘電率をとることができ、負の値をとったときに−２近傍（−２．５以上−１．５以下）になる物質を用いても、近接場相互作用の大きさを変化させることができる。このような物質として、たとえば光照射、磁場変化または温度変化により絶縁相−金属相の相変化を起こす物質が挙げられる。また、金属の特性は自由電子によるプラズモン効果の影響であるが、金属ナノ粒子の場合にはサイズが小さくなるとプラズモンが励起できずに絶縁体となる。このため、金属と絶縁体との境界のサイズ（１ｎｍ弱）のナノ粒子を用いれば、絶縁体状態の微粒子に電子を注入し金属状態にしたり、金属状態の微粒子から電子を引き抜いて絶縁状態にしたりすることができる。

以上のような物質を用いて、微粒子の誘電率を−２近傍（−２．５以上−１．５以下）が関わる範囲で変化させることができれば、微粒子間の相互作用を高効率に制御でき、スイッチなどの素子を作製できる。

また、電子注入排出部を近接場光導波部の一部に対応して設け、近接場光導波部の一部の誘電率を変化させて、近接場が励起されうる屈折率の異なる分布・形状を形成しても同様な効果が得られる。この場合、微粒子の材料として、上述した物質以外にも、ＴｉＯ₂、ＺｎＯなどの酸化物、Ｃ₆₀、カーボンナノチューブ、フェロセン、ニッケロセン、Ｎａ₂ＳＯ₄、ＣＨ₃ＣＯＯＮａ、ＣＨ₃ＣＯＯＫ、（ＣＯＯＮａ）₂、ＣｕＣｌ、ＣＨ₃ＣＯＯＡｇ、ＭｇＳＯ₄、ＣａＳＯ₄、（ＣＯＯ）₂Ｃａ、ＺｎＳＯ₄、ＺｎＣｌ₂、（ＣＯＯ）₂Ｚｎなどの有機分子、無機分子からなる群より選択される少なくとも１種の物質を用いることができる。

金属からなる微粒子が配列しており、微粒子間の近接場相互作用が大きい場合には、プラズモンによるエネルギー伝達、すなわち情報伝達が可能になる。プラズモンによる情報伝達は、光と異なり、回折限界がないため細い配線が可能となる。金属からなる微粒子の配列によるエネルギー伝達は、配列した微粒子の一部に光を照射するとプラズモンが励起され、エネルギーが伝播する。しかし、伝わるのはエネルギーであり、電子はプラズモン振動するものの移動しない。すなわち、配列した微粒子の中でプラズモンのモードが立つともいえる（S. A. Maier, et. al. PHYS. REV. B 65, 193408 (2002)、S. A. Maier, et. al. Adv. Mater.13, 1501 (2001), 13、S. A. Maier, et. al. Proceedings of SPIE 4456, 22, (2001)）。なお、微粒子の配列は一次元に限らず、微粒子は二次元的に密集して配列していてもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
負の値の誘電率をもつ微粒子は金属であることを意味するが、微粒子のサイズが小さい場合にはプラズモンを励起できずに誘電体となる。しかし、電子注入によって電子数が増加し、さらに電子反発によって電子軌道のサイズが大きくなりプラズモンが発生するようになれば、誘電率は正から負に変化して微粒子間の相互作用が変化する。

図５（ａ）および（ｂ）に示す近接場相互作用制御素子を作製した。図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は平面図である。基板１１上に電極層１２および絶縁層１３が形成されている。この絶縁層１３上に近接場光導波部１４が形成されている。近接場光導波部１４はＳｉＯ₂層１５中に２個のＴｉ微粒子１６を並べた構造を有する。微粒子１６のサイズは直径約０．８ｎｍであり、微粒子１６間の距離は０．５ｎｍである。近接場光導波部１４の両端に近接場光導入部１７および近接場光出射部１８が設けられている。近接場光導入部１７および近接場光出射部１８はＳｉＯ₂からなる平面導波路で形成されており、近接場光導入部１７の先端は一方の微粒子１６の近傍で先鋭化され、近接場光出射部１８の先端は他方の微粒子１６の近傍で先鋭化されている。近接場光導波部１４の上方に電子注入部１９が配置される。電子注入部１９はＡｕでコートしたＡＦＭのカンチレバーである。

電極１２と電子注入部１９との間に電圧を印加し、電子注入部１９から近接場光導波部１４のＴｉ微粒子１６に電子を注入すると、微粒子１６の誘電率は−２の近傍に変化する。近接場導入部１７に伝播光を導波すると、伝播光は近接場導入部１７の先端で近接場光に変換され、近接場光により一方の微粒子１６が励起され、微粒子１６、１６間に相互作用が誘起されて他方の微粒子１６に近接場光が伝達され、近接場光出射部１８から近接場光が出射される。

波長６３２．８ｎｍの連続発振レーザー光を近接場導入部１７から近接場光導波部１４に入射し、近接場光出射部１８から出射される近接場光の強度をモニターしながら、電極１２−電子注入部１９間に５０ｋＨｚの正弦波電圧を印加して電子注入部１９から近接場光導波部１４へ電子を注入した。その結果、モニターした近接場光の強度が、正弦波電圧と同じ周波数の正弦波の形状に変調されることが判明した。

（実施例２）
ＳｉＯ₂層中に５個のＴｉ微粒子を０．５ｎｍの等間隔で一列に並べて近接場光導波部を形成した以外は実施例１のものと同様の構造を有する近接場相互作用制御素子を作製した。実施例１と同様の実験を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。

（実施例３）
図６に本実施例に係る近接場相互作用制御素子の平面図を示す。実施例１の電極１２および電子注入部１９の代わりに、微粒子１６、１６と同じ面内でこれらの微粒子１６、１６を挟むように、先端が平坦なアルミニウム電極２１と、集束イオンビーム装置（FIB: Focused Ion Beam）で先端を先鋭化させたアルミニウム電極２２を配置して電子注入部とした以外は実施例１のものと同様の構造を有する近接場相互作用制御素子を作製した。実施例１と同様の実験を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。

また、一対の電極を設ける代わりに、電子銃で電子を注入した場合にも同様の結果が得られた。

（実施例４）
実施例１のＴｉ微粒子の代わりにＡｕ微粒子を用いた以外は実施例１のものと同様の構造を有する近接場相互作用制御素子を作製した。実施例１と同様の実験を行った結果、変調度は実施例１よりも大きくなった。

実施例１のＴｉ微粒子の代わりにＡｇ微粒子を用いた近接場相互作用制御素子では、Ａｕ微粒子を用いた近接場相互作用制御素子よりもさらに変調度が大きくなった。

（実施例５）
［Ｎｉ（ｃｈｘｎ）₂Ｂｒ］Ｂｒ₂（岩井伸一郎、固体物理３８、Ｐ２９（２００３））や（ＥＤＯ−ＴＴＦ）₂ＰＦ₆（O. Ken, et. al., Journal of Physics: Conference Series 21, 216 (2005)）は光誘起相転移材料であり、光を照射することにより誘電率を正の値から負の値（−２近傍）にすることができる。

図７（ａ）および（ｂ）に示す近接場相互作用制御素子を作製した。図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。基板３１上に近接場光導波部３２として用いられる［Ｎｉ（ｃｈｘｎ）₂Ｂｒ］Ｂｒ₂の膜が形成されている。近接場光導波部３２の両端に近接場光導入部１７および近接場光出射部１８が設けられている。近接場光導波部３２の上にレジストマスク３３が形成されている。レジストマスク３３には、近接場光導入部１７の先端と近接場光出射部１８の先端との間に、４個の直径１００ｎｍの円形開口部３４が配列して形成されている。隣接する２つの開口部３４間の間隔は５０ｎｍである。

連続発振レーザー光を近接場導入部１７から近接場光導波部３２に入射し、近接場光出射部１８から出射される近接場光を観測した。この状態では、出力近接場光は観測できなかった。次に、レジストマスク３３の開口部３４を通して、波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓｅｃ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのパルスレーザー光を照射した。その結果、パルスレーザー光の繰り返し周波数に合わせて、約５ｐｓｅｃの時間幅の近接場パルス出力が観測された。

［Ｎｉ（ｃｈｘｎ）₂Ｂｒ］Ｂｒ₂の代わりに（ＥＤＯ−ＴＴＦ）₂ＰＦ₆を用いた場合にも同様な効果が得られた。

（実施例６）
図８に本実施例に係る近接場相互作用制御素子の平面図を示す。実施例３の２個のＴｉ微粒子の代わりに、多数のＡｕ微粒子４１が二次元的に配列されているプラズモン導波路を有する近接場相互作用制御素子を作製した。このプラズモン導波路は、透明マトリックスの原料となるテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と、ＨＡｕＣｌ₄・４Ｈ₂Ｏとを用い、ゾル−ゲル法により形成した。このプラズモン導波路中には平均粒径が約２．５ｎｍのＡｕ微粒子４１が二次元的に配列されている。隣接するＡｕ微粒子４１間の間隔は、Ａｕ微粒子４１の直径以下である。この近接場相互作用制御素子でも、実施例３と同様に、電場印加によって光の移動の変調が確認された。

（実施例７）
λ−（ＢＥＴＳ）₂ＦｅＣｌ₄は、室温では金属であり、８Ｋ（絶対温度）以下で絶縁体に相転移する(L. Brossard, et. al., Eur. Phys. B 1, 439 (1998))。さらに１０テスラ以上の磁場をかけると絶縁体から金属状態に相転移する。この特性を生かすために、水ガラス中にλ−（ＢＥＴＳ）₂ＦｅＣｌ₄の微結晶を分散させたプラズモン導波路を有する、実施例６と同様な構造の近接場相互作用制御素子を作製した。この近接場相互作用制御素子では、室温で光の移動が観測されたが、８Ｋ以下で伝達がなくなった。この状態で１５テスラの磁場を印加したところ、再び光の移動が観測された。

（実施例８）
実施例６のＡｕ微粒子の代わりに、Ａｕ₅₅［Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃］₁₂Ｃ₁₆分子（H. Zhang, et al., New Journal of Physics 5, 30.1-30.7, (2003)）の単層を用いた場合にも同様の効果が確認できた。Ａｕ₅₅［Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃］₁₂Ｃ₁₆は、Ａｕ₅₅のコアに対して複数個のトリフェニルリン置換基がシェルとして結合しているものである。この場合、コア径は１．４ｎｍ、シェル径２．１ｎｍである。

また、Ａｕ₁₁（ＰＰｈ₃）₈Ｃｌ₃では、コア径は０．８±０．２ｎｍ、シェル径は１．４ｎｍである。

（実施例９）
図９に本実施例に係る近接場相互作用制御素子の平面図を示す。図９に示すように、基板（図示せず）上に下部電極（図示せず）および近接場光導波部５１が形成されている。近接場光導波部５１は、膜厚５０ｎｍのポリスチレン（ＰＳ）膜中にＣ₆₀微粒子５２を分散させたものである。近接場光導波部５１の両端に近接場光導入部１７および近接場光出射部１８が設けられている。近接場光導波部５１の上に上部電極が形成されている。下部電極および上部電極はいずれも、多数の直径１００ｎｍの円形電極５３を二次元的に配列したものであり、隣接する円形電極５３間の間隔は５０ｎｍである。下部電極と上部電極との間にある一部の近接場光導波部５１に２００Ｖの電圧を印加したところ、近接場光の移動が観測された。

Ｃ₆₀／ＰＳ膜の代わりにニトロフェニルフェロセン／ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）膜、ＣＨ₃ＣＯＯＮａ／ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜、ＣＨ₃ＣＯＯＫ、（ＣＯＯＮａ）₂／ＰＶＡ膜を用いた場合にも同様の結果が得られた。

１つの微粒子の分極率αの誘電率依存性を示す図。 ２つの微粒子の配置と光電場偏光方向との関係、ならびにｘ方向およびｙ方向の近接場誘起双極子モーメント係数Δｐ_xおよびΔｐ_yを示す図。 Δｐ_xの絶対値の誘電率依存性を計算した結果を示す図。 Δｐ_yの絶対値の誘電率依存性を計算した結果を示す図。 実施例１の近接場相互作用制御素子を示す断面図および平面図。 実施例３の近接場相互作用制御素子を示す平面図。 実施例５の近接場相互作用制御素子を示す平面図および断面図。 実施例６の近接場相互作用制御素子を示す平面図。 実施例９の近接場相互作用制御素子を示す平面図。

符号の説明

１１…基板、１２…電極層、１３…絶縁層、１４…近接場光導波部、１５…ＳｉＯ₂層、１６…Ｔｉ微粒子、１７…近接場光導入部、１８…近接場光出射部、１９…電子注入部、２１、２２…アルミニウム電極、３１…基板、３２…近接場光導波部、３３…レジストマスク、３４…開口部、４１…Ａｕ微粒子、５１…近接場光導波部、５２…Ｃ₆₀微粒子、５３…円形電極。

Claims (5)

1. 金属、金属アニオンまたは金属カチオンで形成され、直径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、比誘電率が−２．５以上−１．５以下である複数の微粒子を含む近接場光導波部と、
   前記近接場光導波部に含まれる複数の微粒子との間で電子の注入または排出を行い、前記近接場光導波部の誘電率を変化させる電子注入排出部と、
   前記近接場導波部へ近接場光を導入する近接場光導入部と、
   前記近接場導波部を導波した近接場光を出射させる近接場光出射部と
   を具備したことを特徴とする近接場相互作用制御素子。
2. 前記微粒子が金または銀で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場相互作用制御素子。
3. 光照射、磁場変化または温度変化により絶縁相から金属相へ相変化を起こす物質で形成され、直径が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、金属相へ相変化したときの比誘電率が−２．５以上−１．５以下である複数の微粒子を含む近接場光導波部と、
   前記近接場光導波部に含まれる複数の微粒子に光照射、磁場変化または温度変化を行わせ誘電率を変化させる部分と、
   前記近接場導波部へ近接場光を導入する近接場光導入部と、
   前記近接場導波部を導波した近接場光を排出する近接場光排出部と
   を具備したことを特徴とする近接場相互作用制御素子。
4. 前記電子注入排出部は前記近接場光導波部の一部に対応して設けられ、前記近接場光導波部の一部の誘電率を変化させることを特徴とする請求項１に記載の近接場相互作用制御素子。
5. 前記微粒子が、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、ダイヤモンド、III−Ｖ族半導体、II−VI族半導体からなる群より選択される少なくとも１種で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場相互作用制御素子。

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