JP7309138B2 - 赤外線吸収体および赤外線吸収体を備えるガスセンサ - Google Patents
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Description
赤外線吸収体として、図2に示される赤外線吸収体1を作製した。作製した赤外線吸収体1の各構成要素の作製条件は、以下の通りであった。
金属微細構造層2:Au(構成材料)、900nm~1600nm(金属微細構造体21の直径D)、50nm(膜厚)、電子線リソグラフィー+抵抗加熱蒸着(成膜方法)
誘電体層3:ポリイミド樹脂(真空重合法で作製したポリイミド樹脂、または株式会社IST製Pyre-M.L.)、エポキシ樹脂(日本化薬株式会社製SU-8)、熱硬化性エラストマー樹脂(東京応化工業株式会社製OMR-100)(構成材料)、300nm(膜厚)、スピンコートまたは真空蒸着(成膜方法)
金属層4:Au(構成材料)、200nm(膜厚)、抵抗加熱蒸着(成膜方法)
基板S:ガラス基板
赤外線反射(吸収)スペクトルの測定は、赤外線吸収体1の表面に対して略垂直に赤外線を照射し、赤外線吸収体1の表面に対して略垂直に反射した赤外線の反射率を測定することにより行なった。また、赤外線放射スペクトルの測定は、赤外線吸収体1を150℃で加熱した状態で、赤外線吸収体1の表面に対して略垂直に放射された赤外線の放射率を測定することにより行なった。
金属微細構造体21の直径Dが1400nmで、誘電体層3がポリイミド樹脂である赤外線吸収体1から得られた赤外線反射(吸収)スペクトルおよび赤外線放射スペクトルを図3に示す。図3では、両者を比較し易くするために、吸収率および放射率を規格化して並べて示している。図3を参照すると、赤外線反射(吸収)スペクトル(図3中上側)および赤外線放射スペクトル(図3中下側)の両方において、複数のピークが見られている。このことは、本実施例の赤外線吸収体1が赤外線の吸収および放射が可能であることを示している。また、図3では、赤外線反射(吸収)スペクトルの複数のピークのそれぞれの波長位置や形状が、赤外線放射スペクトルの複数のピークのそれぞれの波長位置や形状にほぼ一致している。このことは、本実施例の赤外線吸収体1が互いに対応する赤外線吸収特性および赤外線放射特性を有していることを示している。
誘電体層3がポリイミド樹脂であり、金属微細構造体21の直径Dを900nm~1600nmの範囲で変化させた赤外線吸収体1から得られた赤外線吸収スペクトルを図4に示す。なお、図4では、縦軸は、100%から反射率を引いた値を示しており、高い値を示すほど吸収率が高いことを示している。図4の下側には、参照のために、ポリイミド樹脂単体から得られた赤外線吸収スペクトルを示している。図4を参照すると、たとえば金属微細構造体21の直径Dが900nmの場合に、波長が約4.5μmの位置に波長幅の大きいピークAが見られている。このピークAは、赤外線吸収体1に赤外線を照射した際に金属微細構造層2において生じた局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピーク(以下では、「共鳴ピーク」ともいう)である。この共鳴ピークAは、金属微細構造体21の直径が大きくなるに従って、長波長側にシフトしている。つまり、本実施例の赤外線吸収体1では、金属微細構造体21の直径Dを変化させることで、共鳴ピークAの波長を任意に設定することができる。
金属微細構造体21の直径Dが1400nmであり、誘電体層3がポリイミド樹脂、エポキシ樹脂および熱硬化性エラストマー樹脂のそれぞれである赤外線吸収体1から得られた赤外線吸収スペクトルを図5(a)に示す。参照のため、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂および熱硬化性エラストマー樹脂のそれぞれの単体から得られた赤外線吸収スペクトルを図5(b)に示す。図5(a)における赤外線吸収スペクトルは、いずれの樹脂の場合も、図5(b)における赤外線吸収スペクトルからピーク位置やピーク形状が大きく変化している。つまり、ポリイミド樹脂だけでなく、エポキシ樹脂や熱硬化性エラストマー樹脂でも、局在表面プラズモン共鳴が同時に生じることで、分子振動に起因したピークの波長位置や形状が変化している。このことは、ポリイミド樹脂以外のエポキシ樹脂や熱硬化性エラストマー樹脂などの他の有機高分子材料により誘電体層3を形成することでも、狭帯域で高吸収率の赤外線吸収特性(および赤外線放射特性)を実現できることを示している。
2 金属微細構造層
21 金属微細構造体
3 誘電体層
4 金属層
A 吸収(共鳴)ピーク
B1~B4 吸収(振動)ピーク
D 金属微細構造体の直径
E 電場
L 光
M ガス検知器
M1 操作部
M2 表示部
N ガスセンサ
N1 筐体
N2 光源
N3 反射構造体
N4 光検出部
N5 回路部
S 基板
T 熱電変換素子
V 内部空間
Claims (17)
- 検知対象ガスを検知するためのガスセンサであって、
前記ガスセンサが、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体の内部に光を照射する光源と、
光を検出する光検出部と、
を備え、
前記光源および/または前記光検出部が、赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体を備え、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記有機高分子材料の分子結合の振動による吸収ピークが、前記局在表面プラズモン共鳴による吸収ピークにより増強される、
ガスセンサ。 - 検知対象ガスを検知するためのガスセンサであって、
前記ガスセンサが、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体の内部に光を照射する光源と、
光を検出する光検出部と、
を備え、
前記光源および/または前記光検出部が、赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体を備え、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記有機高分子材料の分子結合の振動による吸収ピークの波長が、前記検知対象ガスの分子結合の振動による吸収ピークの波長に対応する、
ガスセンサ。 - 検知対象ガスを検知するためのガスセンサであって、
前記ガスセンサが、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体の内部に光を照射する光源と、
光を検出する光検出部と、
を備え、
前記光源および/または前記光検出部が、赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体を備え、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記ガスセンサが、特定の波長を有する赤外線だけを透過させるフィルタを有さない、
ガスセンサ。 - 前記金属微細構造層は、前記分子結合の分子振動の励起に起因した吸収と同時に前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収が生じるように構成される、
請求項1~3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 検知対象ガスを検知するためのガスセンサであって、
前記ガスセンサが、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体の内部に光を照射する光源と、
光を検出する光検出部と、
を備え、
前記光源および/または前記光検出部が、赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体を備え、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記金属微細構造層は、前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長の±2μmの範囲であるように、前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように構成される、
ガスセンサ。 - 検知対象ガスを検知するためのガスセンサであって、
前記ガスセンサが、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体の内部に光を照射する光源と、
光を検出する光検出部と、
を備え、
前記光源および/または前記光検出部が、赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体を備え、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記金属微細構造層は、前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長の±2μmの範囲であるように、前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように構成され、
前記有機高分子材料の分子結合の振動による吸収ピークの波長が、前記検知対象ガスの分子結合の振動による吸収ピークの波長に対応する、
ガスセンサ。 - 検知対象ガスを検知するためのガスセンサであって、
前記ガスセンサが、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体の内部に光を照射する光源と、
光を検出する光検出部と、
を備え、
前記光源および/または前記光検出部が、赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体を備え、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記金属微細構造層は、前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長の±2μmの範囲であるように、前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように構成され、
前記ガスセンサが、特定の波長を有する赤外線だけを透過させるフィルタを有さない、
ガスセンサ。 - 前記有機高分子材料が、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性エラストマー樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂および尿素樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含む、
請求項1~7のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記局在表面プラズモン共鳴と前記分子結合の分子振動とが強結合することによって、前記有機高分子材料の分子結合の振動による吸収ピークが、前記局在表面プラズモン共鳴による吸収ピークにより増強される、
赤外線吸収体。 - 赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長に一致し、前記有機高分子材料の分子結合の振動による吸収ピークが、前記局在表面プラズモン共鳴による吸収ピークにより増強される、
赤外線吸収体。 - 赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記有機高分子材料が、400~500℃の温度範囲の耐熱性を有し、
前記有機高分子材料の分子結合の振動による吸収ピークが、前記局在表面プラズモン共鳴による吸収ピークにより増強される、
赤外線吸収体。 - 前記金属微細構造層は、前記分子結合の分子振動の励起に起因した吸収と同時に前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収が生じるように構成される、
請求項9~11のいずれか1項に記載の赤外線吸収体。 - 赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記金属微細構造層は、前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長の±2μmの範囲であり、前記局在表面プラズモン共鳴と前記分子結合の分子振動とが強結合するように、前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように構成される、
赤外線吸収体。 - 赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記金属微細構造層は、前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長に一致するように、前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように構成される、
赤外線吸収体。 - 赤外線を吸収および放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備え、
前記誘電体層が、前記赤外線を吸収して振動が励起される分子結合を有する有機高分子材料を含み、
前記誘電体層が、200nm以上、400nm以下の膜厚を有し、
前記金属微細構造層が、複数の略円板状の金属微細構造体を備え、
前記金属微細構造体が、1000nm以上、2000nm以下の直径を有し、
前記有機高分子材料が、400~500℃の温度範囲の耐熱性を有し、
前記金属微細構造層は、前記局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、前記分子結合の分子振動に起因した吸収ピークの波長の±2μmの範囲であるように、前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように構成される、
赤外線吸収体。 - 前記有機高分子材料が、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性エラストマー樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂および尿素樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含む、
請求項9~15のいずれか1項に記載の赤外線吸収体。 - 請求項9~16のいずれか1項に記載の赤外線吸収体を光源および/または検出器として備えるガスセンサ。
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