JP2015503175A - ナノスケールの冷却機能を持つナノプラズモン素子 - Google Patents
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Abstract
加熱面と冷却面とを有するナノプラズモン加熱層と、前記冷却面に隣接して設けられている冷却構造体とを備え、前記加熱層は複数の局所エネルギー受信サイトを有し、前記冷却構造体は前記加熱層からの熱を取り除くためのナノ規模構造体を有していることを特徴とするナノプラズモン素子。【選択図】図１
Description
本発明は、ナノプラズモン素子、特にナノプラズモン素子の冷却に関するものである。
光学エネルギーを素子に結合させるために、ナノプラズモニック技術が盛んに利用されている。このような（技術の）応用例としては、磁気メモリ、光起電力電池、サブ波長描画などがあげられる。（光学）エネルギーに効率良く結合し、波長以下の解像が可能である。
このような応用技術では、回析限界を超える小さな光スポットを利用する。これにより、局所的に大きな加熱が起こる。熱は金属バルク層によって取り除くことができるが、これでは熱が広がってしまい、素子の近接場特性を変えてしまう可能性もある。効率的でかつコンパクトな方法によって、十分な冷却効果を得ることは概して困難である。
ナノプラズモン素子は、加熱面と冷却面を有するナノプラズモン加熱層と、前記冷却面に隣接して設けられている冷却構造体とを備え、前記加熱層は局所化された複数のエネルギー受信サイトを有し、前記冷却構造体は前記加熱層からの熱を取り除くためのナノ規模構造を有している。
図１は、本発明の一形態に係るナノプラズモニックシステムの一例を示す概略図である。
図２は、本発明の別の形態に係るナノプラズモン素子の一例を示す概略図である。
図３は、本発明のさらなる形態に係るナノプラズモン素子の一例を示す概略図である。
図４は、本発明のさらに別の形態に係るナノプラズモン素子の一例を示す概略図である。
図１の一例を参照すると、ナノプラズモニックシステム１０は、光源１２、ナノトランスジューサ１４、ナノプラズモン素子２０を備えている。
ナノプラズモン素子２０は、加熱面２４と冷却面２６を有する加熱層２２と、冷却面２６に隣接して設けられている冷却構造体２８とを備える。冷却構造体２８は、以下でより詳しく説明するようなナノ構造体を備えている。
加熱層２２は、熱感応型の磁気メモリ材料、光起電力電池、描画材料などとすることができる。
作動中、光源１２とナノトランスジューサ１４との各組み合わせにより、加熱層２２に所定波長以下の光学エネルギースポット１６を作り出すことが可能である。ナノトランスジューサ１４は、入射波を所定波長以下の熱スポットに局在化させるための公知の素子とすることができて、熱スポットとは例えば、ナノ粒子、ナノアンテナ、ナノ導波路を指す。熱スポット１６はそれぞれ局所化されたエネルギーの受信サイトに対応する。また単一光源１２とナノトランスジューサ１４との組み合わせを作り変え、光学スポット１６を逐次的に点灯させることも可能である。光源１２とナノトランスジューサ１６の組み合わせにより作り出される所定波長以下の光学スポット１６を結合させるには、ナノスケールでの輻射熱の移動がその本質的な機構となる。
例えば２つの物体がある距離だけ離れていて、互いに接触していない場合にも、物体間には輻射熱による熱の移動がある。熱は、電磁輻射を通じて２つの物体間を移動する。古典的には、物体からの電磁輻射はその物体の温度に依存し、これは黒体輻射として知られている。ある物体から別の物体への電磁輻射熱の移動は、輻射体の温度だけでなく、２つの物体間の距離などの他の因子にも依存する。任意の物体からの電磁輻射は、Rを物体からの距離とすると１／Rでスケールする。電磁力は１／R2でスケールする。
ところが、ナノスケール（所定波長以下のスケール）になり、物体同士が所定波長以下のスケールだけ隔てられた場合、（物体）表面間での輻射熱の移動は、プランク黒体輻射からの予測と比べて数桁高くなりえる。所定波長以下のスケールでの輻射熱の移動は、プランク黒体輻射の予測と比べて３桁高くなりえる。このような増幅効果は、近接場電磁エネルギーのトンネル現象や、構造体表面における表面プラズモンあるいはフォノンポラリトンの励起現象によるものである。物体間において、このように輻射熱の移動を増幅させるための手段としてはいくつか方法がある。物体が互いに所定波長以下の近接場領域まで近づくと、物体と物体との電磁エネルギーエバネセント結合により、物体間の輻射エネルギー輸送が高められる。このような現象は光トンネル現象ともよばれ、物体同士の距離が光波長よりも短く隔てられているときに観測される。さらに、表面プラズモン共鳴やフォノン共鳴によって、電磁エネルギーの輸送効果は改善される。当該構造体によって表面プラズモン共鳴やフォノン共鳴が促進されると、電磁エネルギーの輸送効果は飛躍的に高くなる。ただし、ここでいうプラズモン冷却（もしくはフォノン冷却）とは、単一のもしくは複数の部品によって表面プラズモン共鳴（あるいは表面フォノン共鳴）を促し、エネルギー輸送効果を高くすることで物体を冷却させることを意味する。
物体間の間隙や空間は、空気や真空などとすることが可能であるが、誘電体などの材質を利用することも可能である。
図２を参照すると、ナノプラズモン素子２０は基板３０に形成された冷却構造体２８’と加熱層２２とを備え、前記基板は半導体や誘電材料とすることが可能である。前記誘電材料はシリコンやその他の適当な素材（例えばセラミックガラスや非結晶質ガラス）とすることが可能であり、また前記基板は概して他の層と比べて厚くなっている。当該加熱層は例えば５nmから３０nmの厚みを持つことが可能である。冷却構造体２８’は例えば５nmから２００nmまでの厚みを持つことが可能である。
前記冷却構造体２８’は誘電体または半導体３２から形成され、前記誘電体または前記半導体には、表面プラズモン共鳴もしくはフォノン共鳴を促すためのナノ粒子３４が埋め込まれている。
ナノ粒子３４のサイズは５nmから２００nmまでの間とすることが可能である。粒子サイズの規模は５nmから２０nmまでの間であることが好ましいと思われる。交互パターンの全幅に対して粒子が占める割合をデューティ比と呼ぶ。当該粒子に対する典型的なデューティ比は５０パーセント程度である。
誘電体３２は、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、五酸化チタンなどの酸化物とすることが可能である。ナノ粒子３２は、金、銀、アルミ、プラチナ、または銅などの金属から作られており、当該金属は表面プラズモン共鳴を促すようになっている。ナノ粒子３２は、表面フォノン共鳴を促すためにSiC、立方晶窒化ホウ素（cBN）、六方晶窒化ホウ素（hBN）あるいは炭化ホウ素（BC）から作ることも可能である。
これらの構造体は様々な技術を利用して製造することが可能である。これらの構造体を製造する方法の可能性の１つとして、薄膜堆積技術やパターニング技術があり、当該技術は、半導体メーカーやハードディスクメーカーではよく知られており、また頻繁に利用されている。薄膜層は、スパッタ成膜、熱蒸着、イオンビーム蒸着などの様々な技術を用いて成膜可能である。これらの構造体のパターン形成は、光描画技術を用いて実現可能である。これらの構造体のパターン形成は、自己組織配列技術やナノインプリント描画技術などの近年発達した技術を用いて実現することも可能である。
誘電体層や半導体層に埋め込まれているナノ粒子から、様々なパターン形成が可能である。また粒子同士の様々なデューティ比を駆使して、様々なパターンを得ることができる。また、様々なパターンには、層断面の形成が可能なあらゆる形状が含まれる。様々なパターンとはナノ粒子による様々な断面を指し、球形、円筒形、長方形、正方形などが含まれる。また様々なパターンとは粒子同士の相対的な配置を指し、一定のデューティ比を持つ規則的な分布や、ランダムな分布などが含まれる。
これは基礎電磁気学と熱現象との融合を応用している。表面プラズモン共鳴やフォノン共鳴を促すことが可能なパターン構造を配置することにより、これら領域周辺での局在化した電磁場や光場の分布が改善される。局所化され改善されたこのような光場は、粒子と加熱層との輻射エネルギー輸送機能を改善し、したがって局在化された加熱／冷却を改善する。
図３を参照すると、ナノプラズモン素子２０は基板３０に形成された冷却構造体２８”と加熱層２２とを備えている。前記基板は半導体や誘電材料とすることができて、前記誘電材料はシリコンやその他の適当な素材（例えばセラミックガラスや非結晶質ガラス）とすることができ、また前記基板は概して他の層と比べて厚くなっている。前記加熱層は例えば５nmから３０nmの厚みを持つことが可能である。冷却構造体２８”は例えば５nmから２００nmまでの厚みを持つことが可能である。
冷却構造体２８”は、加熱層２２とポラリトン層３８、４０、４２、４４との間に間隙３６を備えている。間隙３６は層と層の間の輻射エネルギー移動を促進させる。当該構造体間でのフォノントンネル現象（あるいはエバネセント結合）を促進するためには、この間隙は非常に狭く（ナノ規模、波長以下のスケールで）なければならない。その下にある層は表面フォノン共鳴を促すように選択され、場合によっては表面プラズモン共鳴を促すように選択することも可能である。このようにして、物体間での輻射エネルギーの移動がますます高められる。
ポラリトン層３８、４０、４２、４４は多層構造をしており、各層はそれぞれ異なる厚み、異なる材料特性を有することが可能である。各層は互いに異なる特性を有することが可能である。この積層体によって、表面プラズモン共鳴あるいは表面フォノン共鳴が促進される。これらは表面波であって、特定の条件の下で励起させることが可能である。当該層は、金や銀などの表面プラズモン共鳴を促すような金属、あるいはSiC、立方晶窒化ホウ素（cBN）、六方晶窒化ホウ素（hBN）あるいは炭化ホウ素（BC）などの、表面フォノン共鳴を促すような材質とすることが可能である。当該層と当該層の間には誘電体層が設けられる。
図４を参照すると、ナノプラズモン素子２０は基板３０に形成された冷却構造体２８’’’と加熱層２２とを備えている。
冷却構造体２８’’’は基板３０にミクロン以下の流路４６を備え、前記流路は水などの冷却液を循環させるために利用される。各流路４６の内部にはそれぞれ、冷却液による熱吸収を改善するためのナノロッド４８が備えられている。またロッド以外の形状を採用することも可能である。
冷却構造体２８’’’は、例えばシリコン基板の中に作ることも可能である。基板３０は等分割して陽極接合することで形成可能であり、基板は加熱層２２にも同様に接合される。各分割部分の流路の形成には電子ビーム描画技術が利用可能である。接合する前に、ナノ構造体は視射角蒸着法(Glancing Angle Deposition: GLAD)を用いての蒸着が可能である。前記ナノ構造体は銅でできたロッドなどとすることが可能である。
注目すべき点は、冷却構造体２８’’’は光学スポット１６の下に局在化していることである。このような局在化は、ここでの他の実施例においても同様に適応可能である。局在化によって、ナノ規模構造体によるより素早い冷却が可能になるだけでなく、冷却が必要な場所に冷却効果をより集中させることが可能になる。
本発明は実施例による開示であり、本発明の細部を追加、変更、削除することによって、本発明範囲及び趣旨を逸脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。したがって、以下の請求項が制限されない限り、本発明はこの開示における特定の詳細には限定されない。
Claims (12)
- 加熱面と冷却面とを有するナノプラズモン加熱層と、前記冷却面に隣接して設けられている冷却構造体とを備え、前記加熱層は複数の局所エネルギー受信サイトを有し、前記冷却構造体は前記加熱層からの熱を取り除くためのナノ規模構造体を有していることを特徴とするナノプラズモン素子。
- 前記冷却構造体はプラズモン冷却層を備えることを特徴とする請求項１に記載のナノプラズモン素子。
- 前記プラズモン冷却層は、縦方向に交互にあらわれるナノ粒子領域と非ナノ粒子領域とを備えていることを特徴とする請求項２に記載のナノプラズモン素子。
- 前記プラズモン冷却層は所定波長以下の厚みを持つ間隙層とプラズモニック副層とを備えていることを特徴とする請求項２に記載のナノプラズモン素子。
- 前記プラズモン冷却層は、交互にあらわれる間隙層とプラズモニック副層とを備えていることを特徴とする請求項４に記載のナノプラズモン素子。
- 前記冷却構造体はフォノン冷却層を備えていることを特徴とする請求項１に記載のナノプラズモン素子。
- 前記フォノン冷却層は、縦方向に交互にあらわれるナノ粒子領域と非ナノ粒子領域とを備えていることを特徴とする請求項６に記載のナノプラズモン素子。
- 前記フォノン冷却層は所定波長以下の厚みを持つ間隙層とフォノン副層とを備えていることを特徴とする請求項６に記載のナノプラズモン素子。
- 前記フォノン冷却層は交互にあらわれる間隙層とフォノン副層とを備えていることを特徴とする請求項８に記載のナノプラズモン素子。
- 前記冷却構造体はミクロン以下の流路を備え、前記流路は熱を吸収するナノ構造体を有していることを特徴とする請求項１に記載のナノプラズモン素子。
- 前記冷却構造体は前記局所エネルギー受信サイトに局在していることを特徴とする請求項１に記載のナノプラズモン素子。
- 前記素子はデータ記憶装置、光起電力電池及び描画媒体のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載のナノプラズモン素子。
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