金属微細構造作製技術とプラズモニクス応用

1. はじめに

光が金属に照射されると,金属中の伝導電子(負電荷)は光の電場を受けて運動し,分極が生じる。電子の分極もまた光の電場振動に応じて振動するため,一種の双極子放射とみなすことができる。光を再放射するため,金属はプラズマ周波数以下において高い反射率を示す。この金属表面をナノスケールにて周期凹凸構造化すると,凹凸周期の格子ベクトルによって光が回折する。

回折光の波数ベクトルが電子の分極振動の表面伝搬波数ベクトルと一致するとき,光エネルギーは電子振動エネルギーと共鳴的に結合し,表面プラズモンポラリトンとなる。表面プラズモンの波数は入射光の波数よりも大きく,その伝搬速度は遅い。その結果,金属表面近傍に著しく増強された光増強場を形成する。これまで,光増強場を利用した表面増強ラマン散乱やバイオセンサへの応用が数多く報告されている。

光エネルギーと電子振動エネルギーの共鳴結合すなわち表面プラズモン共鳴を利用すると,金属は特定波長の光を透過するようになる1)。光学的にはその優れた反射特性からミラーとして用いられる金属が,表面プラズモン共鳴により特定波長の光を透過するバンドパスフィルタとなる。我々の研究室では,光増強場や光透過特性を示す表面プラズモン共鳴を利用した新規光電子デバイスの創出に取り組んでいる。

表面プラズモン共鳴において重要となる技術が金属微細構造作製技術である。我々は,電子線リソグラフィだけでなく,化学合成法やレーザー光還元法などの金属微細構造作製技術を確立し,プラズモニックデバイスに応用している。本稿では,これら作製技術と応用例について紹介する。

2. 電子線リソグラフィ法により作製したブルズアイ構造のカラーフィルタ応用

T. W. EbbesenのグループのH. J. Lezecらは,同心円上の周期凹凸構造を金属薄膜両面に形成し,中心部にサブ波長開口を設けることによって,波長選択された光がビーム状に光透過することを発見した2)。金属薄膜にサブ波長開口のみが形成されている場合は,開口からの光はエバネッセント場化するため光を透過しない。これに対して,表面側の凹凸構造によって励起された表面プラズモンは開口を介して裏面側を伝搬する。裏面側の凹凸構造によって表面プラズモンは回折され,光として放射される。この裏面凹凸回折によって放射される光は,表面凹凸構造によってプラズモン共鳴結合した光成分のみであるため,波長選択された光透過となる。

我々のグループでは,このブルズアイ構造による光透過特性をイメージセンサ用のカラーフィルタとして適用し,可視光カラー画像と近赤外物性画像とを同時取得する新規マルチスペクトルイメージセンサを考案した3, 4)。例えば,RGBカラー画像に加えて近赤外光の距離画像が同時取得されるようになり,先進運転支援システムへの応用が期待される。近赤外光吸収差を利用した生体情報を示す近赤外画像とカラー画像が同時取得されれば,酸素化状態のモニタリングや静脈注射等の生体画像診断への革新的技術となる。

イメージセンサに一般的に用いられる有機カラーフィルタは,近赤外波長域に2次透過を示す。従って,RGBカラーフィルタリングのためにはこの近赤外波長域の2次透過を遮断する必要があり,カラーフィルタの上層に赤外カットフィルタが配置されている。このような構成ではRGBのカラー情報に加えて近赤外光の物性情報を取得することは困難である。これに対してプラズモニックカラーフィルタは,可視光から近赤外光領域にかけてシングルバンドパスな透過特性を示すため,従来技術では実現が困難な可視近赤外同時弁別性イメージセンサが開発されるのではないかと考えた。

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