透過特性

59

図 2.4.8. 白 色 干 渉 顕 微 鏡 に よ り 測 定 し た カ ラ ー フ ィ ル タ 自 立 薄 膜 の 断 面 プ ロ フ ァ イ ル ．

60

犠 牲 層 エ ッ チ ン グ 後 の 残 存 Si 等 が 考 え ら れ る ． 図 2.4.9 (b)の 透 過 光 ス ペ ク ト ル で は ， 格 子 周 期 400 nm で 465 nm に ピ ー ク を 持 っ て お り ， 格 子 周 期 を 600 nmま で 拡 大 す る こ と で レ ッ ド シ フ ト す る ピ ー ク 波 長 は 655 nm ま で 達 し た ． す な わ ち ，200 nm の 格 子 周 期 変 化 で 190 nm の ピ ー ク シ フ ト が 得 ら れ た こ と に な る ． 最 大 透 過 率 は 格 子 周 期 600 nm の と き で 60%で あ り ， 先 行 研 究 の プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で 得 ら れ て い た 20%-30%よ り 高 く ， こ れ は 高 屈 折 率 の parylene 層 に よ る 干 渉 に 起 因 し て い る と 思 わ れ る ．一 方 で サ イ ド バ ン ド ピ ー ク が 発 生 し て い る ． 図 2.4.9 (c)は ， 図 2.4.9 (b)の 透 過 光 ス ペ ク ト ル の 実 測 値 よ り 刺 激 値 を 算 出 し て 色 度 図 上 に プ ロ ッ ト し た も の で あ る ．五 点 の プ ロ ッ ト は そ れ ぞ れ 重 な る こ と は な く ，青 か ら 赤 ま で の 別 々 の 色 と 認 識 で き る こ と が 分 か る ．し か し ，全 て の プ ロ ッ ト は 中 心 の 白 色 点 に 近 い こ と か ら 波 長 選 択 性 が 低 い こ と が 分 か る ． 原 因 の ひ と つ と し て は ，Al 格 子 の 膜 厚 が 蒸 着 時 の 密 度 設 定 の 違 い や リ フ ト オ フ プ ロ セ ス に よ る 形 崩 れ 等 に よ り 設 計 値 の 50 nm よ り 薄 く 形 成 さ れ た こ と が 挙 げ ら れ る ．Al が 数 十 nm と 薄 く な る と 入 射 光 が 透 過 す る と 考 え ら れ る ．Al 蒸 着 後 に は 水 晶 振 動 子 お よ び 段 差 計 で 膜 厚 計 測 を 行 っ た が ，ナ ノ オ ー ダ ー の 測 定 に お い て 信 頼 性 が 十 分 と は 言 え な い ． し か し な が ら ， バ ル ク 基 板 上 に MIM 構 造 を 製 作 す る こ と で 波 長 選 択 性 の 向 上 お よ び 透 過 率 を 増 加 し た こ と が 報 告 さ れ て い る[36, 46–51]．MIM 構 造 で は ，金 属 格 子 間 の ギ ャ ッ プ で 表 面 プ ラ ズ モ ン に よ る 電 場 増 強 が 起 こ る と さ れ て い る ．増 強 さ れ た 電 場 で は ，フ ォ ト ン と プ ラ ズ モ ン と の エ ネ ル ギ ー 伝 搬 効 率 が 増 加 す る ． よ っ て ，parylene シ ー ト 中 に MIM 構 造 を 形 成 す る こ と で 図 2.4.9 (b)の よ う な リ ー ク 光 を 抑 制 可 能 で あ る ．

61

図 2.4.9. 製 作 し た フ レ キ シ ブ ル プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ の 格 子 周 期 に 依 存 し た(a) 透 過 顕 微 鏡 写 真 ，(b) 透 過 光 ス ペ ク ト ル ，お よ び(c) 色 度 図 ．

透 過 光 ス ペ ク ト ル の 実 測 値 は 解 析 値 に 対 し て 誤 差 が 生 じ た ．表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 現 象 を 利 用 し た カ ラ ー フ ィ ル タ で は ，理 論 上 は 金 属 格 子 に 対 し て 垂 直

(c)

10 μm

(a)

(b)

400 nm

450 nm

500 nm

550 nm

600 nm

62

な 偏 波 で あ る TM 偏 光 と 反 応 す る ．TE 偏 光 は 回 折 格 子 が 回 折 限 界 よ り 微 細 な た め に 反 射 す る ． 図 2.2.2 に 示 し た FDTD 解 析 は TM 偏 光 を 入 射 し た 結 果 で あ る ．製 作 し た カ ラ ー フ ィ ル タ で は 偏 光 板 を 用 い ず に ラ ン ダ ム 偏 光 を 入 射 し て 透 過 光 ス ペ ク ト ル を 測 定 し た が ，先 行 研 究 で 報 告 さ れ て い る よ う な バ ル ク 基 板 に 固 定 さ れ た 金 属 回 折 格 子 で は TM 偏 光 を 入 射 し た 解 析 結 果 と 一 致 す る は ず で あ る ．し か し な が ら ，解 析 結 果 と 実 測 結 果 と で 誤 差 が 生 じ た ．そ こ で ，FDTD 解 析 に お い て 疑 似 的 に ラ ン ダ ム 偏 光 を 再 現 し て 実 測 結 果 と 比 較 し た ． 図 2.4.10に 周 期 400 nm，500 nm， お よ び 600 nm の 透 過 光 ス ペ ク ト ル を 比 較 し た 結 果 を 示 す ． 疑 似 ラ ン ダ ム 偏 光 は ，TM 偏 光 を 入 射 し た 解 析 結 果 お よ び TE 偏 光 を 入 射 し た 解 析 結 果 の 平 均 値 で 表 現 し た ．疑 似 ラ ン ダ ム 偏 光 を 入 射 し た 解 析 結 果 は ，ラ ン ダ ム 偏 光 を 入 射 し た 実 測 値 ス ペ ク ト ル と ピ ー ク の 位 置 と 透 過 率 が 非 常 に 近 い 値 を 示 し た ．こ の 結 果 か ら ，製 作 し た カ ラ ー フ ィ ル タ に 入 射 し た 表 面 プ ラ ズ モ ン に 寄 与 し な い TE 偏 光 成 分 が ，表 面 プ ラ ズ モ ン に 直 接 寄 与 す る TM 成 分 と 並 ん で 支 配 的 に 影 響 す る こ と が 示 唆 さ れ た ． 今 回 設 計 さ れ た カ ラ ー フ ィ ル タ を 改 善 す る た め に は ，偏 光 板 を 併 用 す る ま た は 偏 光 依 存 性 の な い 二 次 元 方 向 の 金 属 周 期 構 造 を 形 成 す る 必 要 が あ る ．

63

図 2.4.10. 透 過 光 ス ペ ク ト ル の 実 測 値 ，疑 似 ラ ン ダ ム 偏 光 を 入 射 し た 解 析 値 ， お よ び TM 偏 光 を 入 射 し た 解 析 値 の 比 較 結 果 ．

製 作 の 観 点 か ら 誤 差 の 原 因 を 考 え る と ，parylene と Al サ ブ 波 長 格 子 の 境 界 面 の 状 態 が 挙 げ ら れ る ．表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 は 金 属 と 誘 電 体 の 誘 電 率 に 敏 感 で あ る た め ，形 成 さ れ た 層 が 劣 化 し て い る と 実 効 的 な 誘 電 率 が 変 化 し ，共 鳴 波 長 も 変 化 す る と 考 え ら れ る ．そ の た め ，(1.1)式 の 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 の 理 論 式 に お い て parylene の 誘 電 率(2.65)を 調 整 し て ， 実 測 ピ ー ク 波 長 と の フ ィ ッ テ ィ ン グ を 試 み た ．図 2.4.11 に フ ィ ッ テ ィ ン グ 理 論 曲 線 と 実 測 ピ ー ク 波 長 を プ ロ ッ ト し た グ ラ フ を 示 す ．算 出 結 果 で はparyleneの 誘 電 率 が 1.00-1.40 と な る よ う な 状 態 に お い て 理 論 値 が 実 測 ピ ー ク 波 長 に 近 く な る ． ま た ， 実 測 値 に 最 も 近 似 で き る 誘 電 率 は 1.14 で あ っ た ． こ れ よ り ，Al サ ブ 波 長 格 子 近 傍 を 覆 う parylene の 充 填 率 が 低 下 し た こ と が 原 因 の 一 つ と し て 示 唆 さ

simulation ( ) simulation ( )

measured value

period 400nm period 500nm

period 600nm

64

れ た ． 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 は ， 媒 質 境 界 の 100 nm 程 度 の 極 め て 限 ら れ た 領 域 で 生 じ る た め ， 製 作 に お い て parylene の 成 膜 お よ び Al 蒸 着 後 の 境 界 面 の 状 態 に よ っ て は 十 分 誤 差 要 因 に な り 得 る ． 図 2.4.12 は 誘 電 体 材 料 の 誘 電 率 を 1.14 と 設 定 し た と き に ， 各 格 子 周 期 に お け る 実 測 ピ ー ク 波 長 を 入 射 し た と き の 電 磁 界 解 析 結 果 で あ る ．中 心 250 nm は Al 領 域 で 電 場 が 生 じ な く ，Al 間 の ギ ャ ッ プ 領 域 も 電 場 が な い こ と か ら 通 常 の 伝 搬 光 は 透 過 し て い な い ．し か し な が ら ，parylene と の 境 界 面(±150 nm)を 中 心 に Al側 と parylene 側 に 数 十 nm の 範 囲 で 局 所 的 に 強 い 電 場 が 生 じ て い る こ と が 分 か る ．こ の 電 界 強 度 分 布 は 表 面 プ ラ ズ モ ン に よ る エ バ ネ ッ セ ン ト 場 を 表 し て い る ．す な わ ち ，誘 電 率 1.14 と し た 構 造 に す る こ と で 実 測 ピ ー ク 波 長 に お い て 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 が 確 認 さ れ た ．よ っ て ，parylene の 充 填 率 低 下 が 誤 差 に 寄 与 す る 可 能 性 が 示 さ れ た ．

図 2.4.11. 各 金 属 格 子 周 期 に お け る 実 測 ピ ー ク 波 長 と フ ィ ッ テ ィ ン グ 理 論 曲 線 ．

measured value

permittivity: 1.40

permittivity: 1.00

fitting theoretical curve

Λ

Λ

Λ

Λ

Λ

65

図 2.4.12. 誘 電 率 1.14と し た と き の 各 格 子 周 期 に お け る 電 界 強 度 分 布 ． λ₁= 465 nm

Λ₂= 450 nm

Λ₁= 400 nm Λ₃= 500 nm

Λ₄= 550 nm Λ₅= 600 nm

λ₂= 499 nm λ₃= 588 nm

λ₄= 622 nm λ₅= 653 nm

Al パリレン

電磁場観測ライン

単一波長入射光(λ1~ λ5)

z

x y

66

67

第 3 章 伸 縮 性 高 分 子 ナ ノ 薄 膜 の デ バ イ ス 応 用 に 向 け