JP2008196898A

JP2008196898A - プラズモン共鳴構造体及びその制御方法

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Publication number: JP2008196898A
Application number: JP2007030731A
Authority: JP
Inventors: Fuminori Kusunoki; 文経楠; Kosuke Moriwaki; 耕介森脇; Kazuo Sato; 和郎佐藤; Hiroteru Fukuda; 宏輝福田; Takashi Yotsuya; 任四谷
Original assignee: Osaka Prefecture
Current assignee: Osaka Prefecture
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】プラズモン共鳴の制御を容易に行うことができるプラズモン共鳴構造体、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金属材料により少なくとも外表面部３１が形成された複数の金属微細突部３を基板２上に周期的に配置したプラズモン共鳴構造体１であって、各金属微細突部３は、基板２から離間するに従い、先細となるように形成されており、各金属微細突部３間は、前記金属材料により形成された平坦な露出面４１を有する平坦部４により接続されているプラズモン共鳴構造体１。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズモン共鳴構造体及びその制御方法に関する。

従来、生化学や医療検査等の分野において被分析物の分析方法として、表面プラズモン共鳴を利用した分析方法が知られている。表面プラズモン共鳴とは、金属表面に光が入射した場合に金属表面の自由電子の粗密波（表面プラズモン波）が入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴して励起される現象である。

このようなプラズモン共鳴を発生するプラズモン共鳴構造体は、光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金や銀などの金属材料により形成した金属微細突部を基板上に配置することにより構成されている。（例えば特許文献１等参照）。
特開２００５−１４４５６９号公報

しかしながら、従来のプラズモン共鳴構造体においては、金属微細突部の表面で発生するプラズモン共鳴の発生位置をコントロールすることが難しいという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、プラズモン共鳴の制御を容易に行うことができるプラズモン共鳴構造体、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金属材料により少なくとも外表面部が形成された複数の金属微細突部を基板上に周期的に配置したプラズモン共鳴構造体であって、前記各金属微細突部は、前記基板から離間するに従い、先細となるように形成されており、前記各金属微細突部間は、前記金属材料により形成された平坦な露出面を有する平坦部により接続されているプラズモン共鳴構造体により達成される。

また、このプラズモン共鳴構造体において、複数の前記金属微細突部は、平面視において六方格子状に配置されていることが好ましい。

また、本発明の上記目的は、上記プラズモン共鳴構造体において、隣接する前記各金属微細突部間の距離を変更することにより、プラズモン共鳴を制御するプラズモン共鳴制御方法により達成される。

本発明によれば、プラズモン共鳴の制御を容易に行うことができるプラズモン共鳴構造体、及びその制御方法を提供することができる。

以下、本発明に係るプラズモン共鳴構造体について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズモン共鳴構造体１の概略構成平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略構成断面図である。なお、各図面は、構成の理解を容易にするため、実寸比ではなく部分的に拡大又は縮小されている。また、図１においては複数の金属微細突部３の一部を省略して示している。

図１及び図２に示すように、プラズモン共鳴構造体１は、基板２と、当該基板２の一方面２ａ上に所定間隔をあけて周期的に配置される複数の金属微細突部３とを備えている。複数の金属微細突部３は、平面視において、六方格子状となるように基板２上に配置されており、各金属微細突部３は、基板２から離間するに従い、先細となるように形成されている。各金属微細突部３は、略同一の大きさとなるように形成されている。このような金属微細突部３の形状としては、円錐状、四角錘状、八角錘状等の錐体形状を例示することができる。本実施形態においては、各金属微細突部３を円錐状に形成している。また、各金属微細突部３の外表面部３１は、光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金属材料により形成されており、各金属微細突部３間は、金属微細突部３の外表面部３１を構成する金属材料により形成された平坦な露出面４１を有する平坦部４により接続されている。

このようなプラズモン共鳴構造体１は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、熱可塑性樹脂や光硬化樹脂を用いて、ナノインプリント法により、一方面２ａに微細な突出体２１が所定の間隔及び配置で複数形成された基板２を形成する。次に、この基板２の一方面２ａに、光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金属材料を積層することにより金属膜を形成することにより作製できる。或いは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）やシリコン等の無機材料を用いて、ドライエッチング法により一方面２ａに微細な突出体２１が複数形成された基板２を形成し、この基板２に光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金属材料を積層することにより金属膜を形成してプラズモン共鳴構造体１を作製することもできる。なお、プラズモン共鳴が生じる金属材料としては、金、銀、アルミニウム等を例示することができる。また、金属膜の積層方法は、基板２と金属膜とが充分に強く結合できる方法ならばその方法は特に限定されない。代表的には、蒸着、スパッタリング、メッキ等を例示することができる。なお、平坦部４における金属膜の厚みｔ１（図中のｚ軸方向における厚み）及び金属微細突部３における金属膜の厚みｔ２（図中のｚ軸方向における厚み）は、少なくとも光の一部を反射させる程度の厚みであればよい。

このように構成されたプラズモン共鳴構造体１によれば、各金属微細突部３間の間隔を変更することにより、金属微細突部３の表面に発生するプラズモン共鳴の発生位置や、その電界強度を容易に制御して変更することができる。例えば、各金属微細突部３の先端部３ａにプラズモン共鳴が発生するように制御することや、各金属微細突部３と平坦部４との接続部近傍（根元部３ｂ）にプラズモン共鳴を発生させるようにすることが可能になる。

また、複数の金属微細突部３を六方格子状に配置している本実施形態においては、照射される入射光の偏光に依存しないプラズモン共鳴を得ることが可能になる。

このような本発明の効果を、数値シミュレーション結果に基づいて詳細に説明する。数値シミュレーションは、電磁界の微分方程式を差分方程式に近似し、数値解を得る有限差分時間領域法（Finite Difference Time Domain：ＦＤＴＤ法）に基づいたものである。本シミュレーションにおいては、図３（ａ）の平面図及び（ｂ）の概略構成断面図に示すように、円錐形状の金属微細突部３を平面視において六方格子状に基板２上に配置したプラズモン共鳴構造体１を解析モデルとし、プラズモン共鳴構造体１の上部に配置された光源から波長５７５ｎｍの光をプラズモン共鳴構造体１に対して垂直に照射した際の電界強度及び電界強度分布を計算した。基板２及び突出体２１の材質を二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とし、金属膜の材質を金（Ａｕ）としている。また、二酸化ケイ素の屈折率を１．４６、金の屈折率を０．２８８＋２．９１×ｉ（ｉは虚数単位である）、光源からプラズモン共鳴構造体１の間には水が介在しているものとし、この水の屈折率を１．３３として計算を行った。金属微細突部３の最大径（円錐形状における底面の直径に相当）を２４０ｎｍとしている。また、金属微細突部３は完全な円錐ではなく、頂点部の形状を直径１３０ｎｍの半球状となるように構成している。平坦部４および金属微細突部３における金属膜の膜厚（ｔ１、ｔ２）は共に１４６ｎｍである。なお、金属膜の膜厚（ｔ１、ｔ２）は、図中のｚ軸方向における厚みとして定義している。円錐形状の金属微細突部３の母線と平坦部４の露出面４１とのなす角θは、１１０°に設定している。

このような解析モデルにおいて、互いに隣接する金属微細突部３の中心同士の距離Ｌｘをパラメータとし、このＬｘを変化させた場合、つまり、隣接する金属微細突部３間の間隔を変化させた場合におけるプラズモン共鳴の電界強度及び電界強度分布を算出した。数値シミュレーション結果を図４及び図５に示す。

図４（ａ）は、図３（ａ）において示されるｘ軸方向の偏光成分を有する光（Ｘ偏光の光）をプラズモン共鳴構造体１に照射したときのシミュレーション結果であり、金属微細突部３の表面に発生する電界強度と、金属微細突部３の高さ方向の距離（図３（ｂ）において示される平坦部４の露出面４１からのｚ軸方向の距離）との関係を示している。また、隣接する金属微細突部３の中心同士の距離Ｌｘを２５０ｎｍ、３５０ｎｍ、４７５ｎｍ、５５０ｎｍと変化させた場合の各電界強度分布を重ねて表示している。図４（ｂ）は、図３（ａ）において示されるｙ軸方向の偏光成分を有する光（Ｙ偏光の光；Ｘ偏光の光の偏光方向と直交する偏光の光）をプラズモン共鳴構造体１に照射したときのシミュレーション結果である。

図５は、パラメータＬｘを２５０ｎｍから６００ｎｍまで変化させた場合における、各Ｌｘでの電界強度の最大値とパラメータＬｘとの関係を示すグラフである。グラフ中において、プラズモン共鳴構造体１にＸ偏光の光及びＹ偏光の光を照射した場合の２ケースを重ねて表示している。なお、図４及び図５においては、金属微細突部３の表面から１０ｎｍ離れた領域での電界強度の値を示している。

図４（ａ）（ｂ）から明らかなように、パラメータＬｘが変化するに伴い、金属微細突部３において発生するプラズモン共鳴の発生位置（電界強度のピーク発生位置）が変化していることが分かる。Ｘ偏光の光を照射した場合の図４（ａ）のシミュレーション結果を用いて具体的に説明すると、パラメータＬｘが２５０ｎｍの場合、電界強度のピークは、金属微細突部３の根元部３ｂ付近で発生している。パラメータＬｘが３５０ｎｍの場合には、電界強度のピーク発生位置が金属微細突部３の先端部３ａ側に移動していることが分かる（ｚ軸方向の距離が６０ｎｍ近傍においてピークが発生）。また、パラメータＬｘを更に大きくし、Ｌｘが４７５ｎｍの場合には、電界強度のピーク発生位置が、金属微細突部３の先端部３ａにおいて発生している（ｚ軸方向の距離が１８０ｎｍ近傍においてピークが発生）。そして、更にパラメータＬｘを大きくし、Ｌｘを５５０ｎｍとした場合には、電界強度のピーク位置が、金属微細突部３の先端部３ａ及び根元部３ｂの２箇所においてに発生している（ｚ軸方向の距離が５０ｎｍ近傍、及び、１８０ｎｍ近傍においてピークが発生）。

また、Ｙ偏光の光を照射した場合の図４（ｂ）のシミュレーション結果においても同様に、パラメータＬｘが変化するに従い、電界強度のピーク発生位置が変化している。

以上より、本実施形態に係るプラズモン共鳴構造体１によれば、各金属微細突部３間の間隔を変更することにより、金属微細突部３の表面に発生するプラズモン共鳴の発生位置や、その電界強度を容易に変更できることが分かる。

また、図４（ａ）及び（ｂ）から分かるように、パラメータＬｘを３５０ｎｍ、４７５ｎｍ、５５０ｎｍと変化させた場合のそれぞれにおいて、Ｘ偏光の光をプラズモン共鳴構造体１に照射した場合に金属微細突部３で発生する電界強度分布と、Ｙ偏光の光を照射した場合において発生する電界強度分布とは、略同じ分布となっていることが分かる。また、図５から、パラメータＬｘが３００ｎｍ以上の場合、Ｘ偏光の光を入射した場合の電界強度の最大値と、Ｙ偏光の光を入射した場合の電界強度の最大値とは、略同一の値を示していることがわかる。つまり、本実施形態に係るプラズモン共鳴構造体１は、各金属微細突部３間の距離を変更することにより、金属微細突部３の表面において発生するプラズモン共鳴の発生位置およびその強度を制御できると共に、照射される入射光の偏光方向に依存しないプラズモン共鳴を発生させることができることがわかる。

以上、本発明に係るプラズモン共鳴構造体１の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な構成は上記実施形態に限定されない。例えば、本実施形態においては、金属微細突部３を平面視において、六方格子状に基板２上に配置する構成を採用しているが、図６に示すように、正方格子状に配置する構成を採用してもよい。このような配置であっても、各金属微細突部３間の距離を変更することによりプラズモン共鳴が発生する位置の制御や電界強度の制御が可能である。この点について、上述したＦＤＴＤ法を用いた数値シミュレーション結果に基づいて詳細に説明する。数値シミュレーションにおける解析モデルは、正方格子状に複数の金属微細突部３を配置した点以外は、上述した六方格子状に金属微細突部３を配置した場合の解析モデルと同一である。シミュレーション結果を図７に示す。

図７は、図６において示されるｘ軸方向の偏光成分を有する光（Ｘ偏光の光）をプラズモン共鳴構造体１に照射したときのシミュレーション結果であり、金属微細突部３において発生する電界強度と、金属微細突部３の高さ方向の距離（図３（ｂ）において示される平坦部４の露出面４１からのｚ軸方向の距離に相当）との関係を示している。また、隣接する金属微細突部３の中心同士の距離Ｌｘを２５０ｎｍ、３５０ｎｍ、４２０ｎｍ、５５０ｎｍと変化させた場合の各電界強度分布を重ねて表示している。また、図７においては、金属微細突部３の表面から１０ｎｍ離れた領域での電界強度の値を示している。なお、正方格子状に複数の金属微細突部３を配置した場合、図６において示されるｘ軸方向に沿って配置される金属微細突部３の周期と、ｙ軸方向に沿って配置される金属微細突部３の周期とが同一であるため、ｙ軸方向の偏光成分を有する光（Ｙ偏光の光）をプラズモン共鳴構造体１に照射した場合の数値シミュレーション結果は、Ｘ偏光の光を照射した場合の結果と同一になる。したがって、Ｙ偏光の光を照射した場合の数値シミュレーション結果については省略する。

この図７より明らかなように、複数の金属微細突部３を正方格子状に配置した場合であっても、パラメータＬｘが変化するに伴い、金属微細突部３の表面において発生するプラズモン共鳴の発生位置（電界強度のピーク発生位置）が変化することが分かる。また、電界強度の最大値もパラメータＬｘの値によって変化していることが分かる。

また、本実施形態において、所定間隔をあけて配置される複数の突出体２１が形成されている基板２上に均一な厚みの金属膜を形成するようにしてプラズモン共鳴構造体を構成してもよく、或いは、突出体２１上に積層される金属膜の膜厚ｔ２と、平坦部４を形成する金属膜の膜厚ｔ１とを異ならせるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、一方面２ａに突出体２１が形成された基板２に、光が照射されることによりプラズモン共鳴を生じる金属材料を積層することによりプラズモン共鳴構造体１を構成しているが、このような構成に特に限定されず、例えば、プラズモン共鳴を生じ得る金属材料のみによって、プラズモン共鳴構造体１を形成してもよく、また、熱可塑性樹脂や光硬化樹脂、或いは二酸化ケイ素等の材料かなる平板状の基板２の一方面２ａに、プラズモン共鳴を生じ得る金属材料のみにより複数の金属微細突部３および平坦部４を形成するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係るプラズモン共鳴構造体を示す概略構成平面図である。図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略構成断面図である。数値シミュレーションに用いる解析モデルを説明するための説明図であり、（ａ）は解析モデルの平面図、（ｂ）は概略構成断面図である。数値シミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）（ｂ）は、それぞれ、図３（ａ）におけるｘ軸方向の偏光成分を有する光を照射した場合、ｙ軸方向の偏光成分を有する光を照射した場合において金属微細突部に発生する電界強度と、金属微細突部の高さ方向の距離との関係を示す数値シミュレーション結果である。電界強度の最大値と、各金属微細突部間の距離との関係を示す数値シミュレーション結果である。図１に示すプラズモン共鳴構造体の変形例を示す概略構成断面図である。金属微細突部を正方格子状に配置した場合における数値シミュレーション結果であり、ｘ軸方向の偏光成分を有する光を照射した場合において金属微細突部に発生する電界強度と、金属微細突部の高さ方向の距離との関係を示す数値シミュレーション結果である。

符号の説明

１プラズモン共鳴構造体
２基板
２１突出体
３金属微細突部
３１外表面部
４平坦部
４１露出面

Claims

光が照射されることによってプラズモン共鳴が生じる金属材料により少なくとも外表面部が形成された複数の金属微細突部を基板上に周期的に配置したプラズモン共鳴構造体であって、
前記各金属微細突部は、前記基板から離間するに従い、先細となるように形成されており、
前記各金属微細突部間は、前記金属材料により形成された平坦な露出面を有する平坦部により接続されているプラズモン共鳴構造体。
複数の前記金属微細突部は、平面視において六方格子状に配置されている請求項１に記載のプラズモン共鳴構造体。
請求項１又は請求項２に記載のプラズモン共鳴構造体のプラズモン共鳴を制御するプラズモン共鳴制御方法であって、
隣接する前記各金属微細突部間の距離を変更することにより、プラズモン共鳴を制御するプラズモン共鳴制御方法。