エラストマーナノシートを用いた伸縮性 プラズモニックメタマテリアル

エラストマーナノシートを用いた伸縮性 プラズモニックメタマテリアル

(Stretchable Plasmonic Metamaterial using an Elastomer Nanosheet)

2020 年 1 月

博士 ( 工学 )

熊谷 隼人

豊橋技術科学大学

要旨

エラストマーナノシートを用いた伸縮性プラズモニックメタマテリアル

近年，表面プラズモン共鳴を利用したプラズモニックメタマテリアルを多機能 化する技術として，透過/反射スペクトルを動的に制御する技術が注目を集めてい

る．その多くは，ゴム弾性を有するエラストマーの伸縮動作を利用し，Al サブ波

長格子の構造周期に依存する分光スペクトル特性を機械的に変調している．伸縮 性プラズモニックメタマテリアルは，様々な形状の構造物に貼り付けることでひ ずみの検出・視覚化を可能にする．また今後，微小電気機械システム(MEMS)との 一体化により可変カラーフィルタが実現されることで，環境光を利用した超低消 費電力な貼り付け型ディスプレイに向けた 基盤技術として期待される．しかしな がら，先行研究では膜厚 1 mm 以上のエラストマーを用いているため，MEMS の

発生力では駆動が困難である．本論文では，動的変調機能を持つMEMS可変カラ

ーフィルタに向けて，MEMS アクチュエータで駆動可能なサブミクロン厚の伸縮

性プラズモニックメタマテリアルを製作し， 表面プラズモンによる異常透過光を 動的に変調することを目的とした．

基板から自立した高分子ナノ薄膜中にプラズモニックメタサーフェスを埋め込 む構造を検討するため，半導体プロセスに成熟したpoly(para xylylene) (parylene N) を用いて，基板貫通孔上に自立した800 nmのプラズモニックカラーシートを試作 した．parylene Nに埋め込まれたAlサブ波長格子は 400-600 nmの格子周期で作り 分けられ、各周期に依存する五色の透過光の観測に成功した．

伸 縮 動 作 に よ り 透 過 光 を 変 調 す る た め ， エ ラ ス ト マ ー 材 料 の polystyrene- polybutadiene-polystyrene (SBS)をナノ薄膜化したシートを基板材料に用いること

を検討した．SBS ナノシートの弾性変形を利用してスペクトル変調するため，光

学機械特性より弾性変形の指標となるポアソン比を評価した．印加ひずみ 38%以

下で算出された SBS ナノシートのポアソン比は，理想的なエラストマーに相当す

る 0.5 におよそ近い値が得られたため，ナノシート化された SBS においてもゴム 弾性特性が実証された．

半導体プロセスに親和性のない SBS ナノシート上への金属微細構造の形成では，

化学薬品やエッチングガスによる破断，超薄膜特有の高い凝着力による基板への

貼り付き等が課題となる．本研究では，水溶性の poly(vinyl alcohol)犠牲層を介し

てバルク基板へ SBS ナノシートを一度貼り付け，集束イオンビームによる金属の

微細加工後にシートを剥離することで，自立膜状の膜厚400 nmの伸縮性プラズモ ニックカラーシートを製作することに成功した．均一な格子周期変化を想定して 作り分けたピクセルは格子周期300-600 nmで製作し，可視光帯域の 439 nm-641 nm に及ぶピーク変化を示した．一方，シートの収縮評価では，ピーク波長シフトが

660 nm から550 nm，495 nmに及ぶ動的色変調を実証した．製作したシートの駆

動力は，先行研究より 2-3 桁小さく，一般的なMEMS アクチュエータの発生力で 十分に駆動可能であることが示唆された．

Abstract

Stretchable Plasmonic Metamaterial using an Elastomer Nanosheet

Dynamic color tuning of transmission/reflection spectra has recently attracted attention as a multifunctional technology for plasmonic metamaterials using extraordinary optical transmission phenomena excited by surface plasmon resonance. Spectral characteristics depended on the structural period of metal subwavelength gratings are mechanically modulated by elastic deformation of an elastomer with rubber elasticity. Stretchable plasmonic metamaterials can be applied to structures of various shapes to enable strain detection/visualization. Besides, tunable color filters are realized by integration into micro-electro-mechanical-systems (MEMS), which are expected to be the fundamental technology of ultra-low power skin displays using ambient light. However, dynamic color tuning cannot be driven by a MEMS because of using an elastomer substrate with film thickness of more than 1 mm in previous works. In this study, a stretchable plasmonic metamaterial with a submicron film thickness was fabricated to demonstrate dynamic color tuning of extraordinary optical transmission by surface plasmon for a MEMS tunable color filter.

In order to realize a plasmonic color sheet embedded with plasmonic metasurfaces in a freestanding polymer nanosheet, an 800-nm-thick freestanding plasmonic color sheet above the substrate through-hole was fabricated using a poly(para xylylene) (parylene N) with compatibility with semiconductor process. Al subwavelength gratings embedded in parylene N were separately fabricated with a grating period of 400-600 nm, and transmitted spectra of five colors depending on each period were successfully observed.

For demonstration of dynamic color tuning by sheet stretching, a nanometer-thick elastomer sheet using polystyrene-polybutadiene-polystyrene (SBS) with rubber elasticity was used as a substrate. In this study, the Poisson's ratio, which is an index of the elastic deformation, was evaluated from the opto-mechanical characteristics because the spectrum was modulated using the elastic deformation of the SBS nanosheet. The calculated Poisson's ratio of SBS nanosheets in the range of applied strain of up to 38% was approximately 0.5, which is equivalent to an ideal elastomer. Therefore, the rubber

elasticity of SBS was demonstrated even for nanosheets.

The formation of metal nanostructures on the SBS nanosheet which is not compatible with semiconductor process involves problems such as breaking by chemicals or etching gas, and sticking to the substrate due to the high adhesive force inherent to ultrathin elastomer sheets. To solve them, the SBS nanosheet was once transferred to the bulk substrate via a poly(vinyl alcohol) sacrificial layer, and peeling off after focused ion beam milling. As a result, freestanding plasmonic color sheet with a thickness of only 400 nm was successfully formed. Color pixels with a grating period of 300 to 600 nm were separately fabricated assuming a uniform change in the grating period during expansion and contraction, and showed peak changes ranging from 439 nm to 641 nm in the visible light band. On the other hand, in the shrinkage evaluation of the sheet fixed to the movable stages, dynamic color tuning with a peak wavelength shift from 660 nm to 550 nm and 495 nm was demonstrated. The driving force of the plasmonic color sheet is two to three orders of magnitude smaller than that of previous work, which was suggested that typical MEMS actuator could be driven sufficiently.

目次

第1章 序論 ... 1

1.1 貼り付け型表示素子 ... 1

1.1.1 電子皮膚の動向 ... 1

1.1.2 貼り付け型表示素子の実現可能性 ... 3

1.2 プラズモニックメタマテリアルによるカラーフィルタ ... 7

1.2.1 プラズモニックメタマテリアル ... 7

1.2.2 表面プラズモン共鳴 ... 8

1.2.3 光の異常透過現象 ... 9

1.2.4 プラズモニックカラーフィルタの現状 ... 10

1.3 動的色変調... 17

1.3.1 有用性 ... 17

1.3.2 制御方法 ... 17

1.3.3 中空ナノヒンジ構造を利用した周期制御 ... 24

1.3.4 バルクエラストマーを利用した周期制御 ... 28

1.4 MEMS可変カラーフィルタに向けた課題 ... 35

1.5 本研究の目的および意義 ... 37

第2章 高分子ナノ薄膜を用いたプラズモニックカラーシート ... 41

2.1 デバイス構造 ... 42

2.2 光学設計 ... 44

2.3 製作プロセス ... 46

2.4 製作結果 ... 49

2.4.1 Alサブ波長格子のSEM観察 ... 49

2.4.2 カラーフィルタ自立薄膜の反り ... 55

2.4.3 透過特性 ... 59

第3章 伸縮性高分子ナノ薄膜のデバイス応用に向けた検討 ... 67

3.1 ナノシート技術 ... 68

3.2 poly(styrene-butadiene-styrene)(SBS)ナノシート ... 69

3.2.1 構造および物性 ... 69

3.2.2 調製方法 ... 70

3.3 光学・機械特性評価 ... 72

3.3.1 屈折率測定 ... 72

3.3.2 自立薄膜の反り ... 74

3.3.3 弾性ひずみ ... 77

第4章 Alパターン転写技術による伸縮性プラズモニックカラーシート ... 87

4.1 Alパターン転写技術の考案 ... 88

4.1.1 シャドウマスクの製作 ... 88

4.1.2 自立ナノシートへのAlパターン転写 ... 91

4.2 伸縮性プラズモニックカラーシートの製作 ... 93

4.2.1 光の異常低透過現象 ... 93

4.2.2 光学設計 ... 95

4.2.3 製作プロセス ... 99

4.2.4 製作結果 ... 102

第5章 埋め込み構造による伸縮性プラズモニックカラーシート ... 107

5.1 デバイス構造 ... 108

5.2 光学設計 ... 109

5.3 製作プロセス ... 111

5.4 製作結果 ... 115

5.4.1 製作構造 ... 115

5.4.2 Alサブ波長格子のSEM観察 ... 118

5.4.3 マルチピクセルの透過特性 ... 119

5.4.4 動的色変調の透過特性 ... 124

5.5 動的色変調に要する駆動力の概算 ... 138

第6章 結論 ... 141

参考文献... 145

謝辞 ... 159 付録A 高分子ナノ薄膜を用いたプラズモニックカラーシートの製作チャート ... 161 付録B シャドウマスクの製作チャート ... 167 付録C 埋め込み構造による伸縮性プラズモニックカラーシートの製作チャート ... 171 発表文献... 173

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第 1 章 序 論

1.1 貼 り 付 け 型 表 示 素 子

1.1.1 電 子 皮 膚 の 動 向

近 年 の 材 料 開 発 や 印 刷 技 術 の 発 展 に 伴 い ， 電 子 デ バ イ ス は 電 子 回 路 の Si 基 板 に 制 限 さ れ な が ら も 小 型・薄 型 化 が 進 め ら れ て い る ．こ の パ ラ ダ イ ム シ フ ト は ，据 え 置 き 型(stationary)，携 帯 型(portable)，着 用 型(wearable)へ と 変 化 を 遂 げ て い る ．柔 軟 な 有 機 材 料 を 用 い て 電 子 デ バ イ ス を 実 現 す る フ レ キ シ ブ ル エ レ ク ト ロ ニ ク ス は ，身 体 に 装 着 す る ウ ェ ア ラ ブ ル シ ス テ ム を 実 現 す る た め の 重 要 な 技 術 で あ り ，す で に ウ ェ ア ラ ブ ル 化 を 意 識 し た フ レ キ シ ブ ル 磁 気 抵 抗 セ ン サ[1]や ， 生 体 挿 入 型 吸 着 ゲ ル シ ー ト[2]な ど が 報 告 さ れ て い る ． さ ら に ，衣 服 へ の 実 装 と い う 概 念 か ら 飛 躍 し ，皮 膚 や 臓 器 に 電 子 回 路 を 直 接 貼 る こ と を 目 的 と し た 高 い 生 体 適 合 性 ，皮 膚 へ の な じ み 性 を 特 徴 と し た 電 子 皮 膚(e-skin)デ バ イ ス が 注 目 を 集 め て い る ．e-skin シ ス テ ム の さ き が け と な る 研 究 で ，有 機 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 材 料 で 製 作 さ れ た 柔 軟 か つ 大 面 積 の 能 動 素 子 を 集 積 化 し た 電 子 回 路 が 報 告 さ れ た[3–5]．東 京 大 学 の 染 谷 氏 は ，図 1.1.1 に 示 す よ う に 厚 さ 1 µm の ポ リ パ ラ キ シ リ レ ン(poly-para-xylylene)と 呼 ば れ る パ リ レ ン(parylene)薄 膜 に 被 覆 さ れ た 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ(field effect transistor, FET)を 製 作 し ， 高 い 形 態 自 由 度 を 有 し つ つ 実 用 レ ベ ル の 電 気 特 性 を 実 証 し た[6]．大 面 積 で 柔 軟 な デ バ イ ス 駆 動 回 路 が 実 現 さ れ た こ と で ，フ レ キ シ ブ ル セ ン サ や 超 薄 膜 の 高 周 波 回 路 等 へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る ．

実 用 レ ベ ル で 実 現 さ れ た 薄 膜 駆 動 回 路 が 端 を 欲 し ，最 新 の 研 究 で は 発 光 素 子 や 光 検 出 器 を 一 体 化 し た e-skinシ ス テ ム が 報 告 さ れ て い る[7]．図 1.1.2は ， 三 色 の ポ リ マ ー 発 光 ダ イ オ ー ド(light emitting diode, LED)と 有 機 光 検 出 器 を 組 み 合 わ せ た ， 皮 膚 に 貼 る こ と の で き る イ ン ジ ケ ー タ ， ア ナ ロ グ/デ ィ ジ タ ル デ ィ ス プ レ イ ， パ ル ス オ キ シ メ ー タ が 原 理 実 証 さ れ た ．

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図 1.1.1. (a) 自 立 薄 膜 状 の ト ラ ン ジ ス タ ア レ イ の 写 真 ，(b) 被 包 構 造 の 断 面 模 式 図[6]．

図 1.1.2. 超 薄 膜 ポ リ マ ーLED， デ ィ ス プ レ イ ， ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ セ ン サ で 構 成 さ れ た e-skin シ ス テ ム[7]．

(a) (b)

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e-skinデ バ イ ス の 実 現 に 伴 い ，デ バ イ ス 側 と 使 用 者 と の イ ン タ ー フ ェ イ ス を 担 う 動 画 像 表 示 素 子 の 需 要 が 自 ず と 高 ま っ て い く ．し か し な が ら ，そ の 仕 様 が 人 間 の 感 覚 に 依 存 す る た め に セ ン サ や 発 光 素 子 な ど と 比 較 し て 難 易 度 が 高 く ，実 現 に 至 っ て い な い の が 現 状 で あ る ．故 に ，貼 り 付 け 型 表 示 素 子 の 実 現 に は 新 た な 原 理 や 既 存 技 術 の 融 合 に よ る 参 入 余 地 が 残 さ れ て い る ．次 節 で は ， 貼 り 付 け 型 表 示 素 子 を 実 現 す る た め の 競 合 技 術 に つ い て 五 つ 述 べ る ．

1.1.2 貼 り 付 け 型 表 示 素 子 の 実 現 可 能 性

一 つ は ，レ ッ ド ・ グ リ ー ン ・ ブ ル ー(RGB)の ポ リ マ ーLED 画 素 を ア レ イ 化 し ， 従 来 の 有 機 LED (organic LED, OLED)デ ィ ス プ レ イ の よ う な 三 原 色 の 加 法 混 色 で フ ル カ ラ ー を 表 示 す る こ と が で き る ．し か し な が ら ，ポ リ マ ーLED は 電 流 駆 動 式 の た め に e-skinに 大 き な 電 流 が 流 れ る ．超 薄 膜 ポ リ マ ーLED(緑 色)の ラ イ フ タ イ ム 試 験 に お い て ， 発 光 機 構 の 劣 化 に よ り 動 作 開 始 時 の 50%

の 輝 度 と な る ハ ー フ ラ イ フ を 測 定 し た 結 果 ， 室 温 20 ℃， 湿 度 60%の 下 で 最 大 29 時 間 で あ っ た ． こ の 試 験 に お い て ， ポ リ マ ーLED は 12.5 mA/cm²の 定 格 電 流 で 稼 働 し て い た ． ポ リ マ ーLED の 画 素 ア レ イ に よ る 動 画 像 表 示 素 子 を 考 え る と ，手 の 甲 に 貼 る こ と の で き る サ イ ズ で は お よ そ 5×5 cm²と す る と 駆 動 電 流 は 312.5 mA と な る ． 貼 り 付 け 型 デ バ イ ス で は 従 来 電 子 デ バ イ ス よ り も 高 い パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 技 術 が 要 求 さ れ る ．そ の た め ，超 薄 膜 デ バ イ ス に 流 れ る 電 流 値 は 低 い 方 が 望 ま し い ．し か し ，OLED の よ う な 自 発 光 素 子 は 輝 度 と 消 費 電 力 に ト レ ー ド オ フ の 関 係 が あ り ，飛 躍 的 な 改 善 は 根 本 的 に 困 難 で あ る ．

二 つ 目 に ，貼 り 付 け 型 デ ィ ス プ レ イ へ の 応 用 が 期 待 さ れ る 対 抗 技 術 と し て ， 電 気 泳 動 方 式 の 電 子 ペ ー パ ー デ ィ ス プ レ イ(electronic paper display，EPD) [8]

が 挙 げ ら れ る ．動 画 像 表 示 は ，バ ッ ク ラ イ ト を 必 要 と せ ず 自 然 光 の 反 射 で 可 能 な た め 非 常 に 低 消 費 電 力 で あ る ．Good Display 社 の GDE021A1 は ，2.1 イ ン チ の 表 示 面 積 で 消 費 電 力 が 24 mW で あ る[9]． す な わ ち ， 電 力 密 度 は お よ そ 2 mW/cm² と な る た め OLED デ ィ ス プ レ イ よ り は る か に 少 な い ． 図 1.1.3 に あ ら ゆ る デ ィ ス プ レ イ に お け る 電 力 密 度 を 示 す[10]．こ れ よ り ，EPD は 貼 り 付 け 型 デ ィ ス プ レ イ の 競 合 技 術 で あ る ア ク テ ィ ブ ・ マ ト リ ク ス 型

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OLED(AM-OLED)や パ ッ シ ブ ・ マ ト リ ク ス 型 OLED(PM-OLED)の 1/7 以 下 の 電 力 密 度 で あ る こ と が 分 か る ．

図 1.1.3. デ ィ ス プ レ イ 技 術 の 電 力 密 度[10]

し か し な が ら ，電 子 ペ ー パ ー の カ ラ ー 化 に は 技 術 的 な 課 題 が あ り 実 用 化 に 至 っ て い な い ．検 討 さ れ て い る 方 式 の ひ と つ は カ ラ ー フ ィ ル タ を 併 用 す る 方 法 だ が ， 色 素 顔 料 に よ る 波 長 吸 収 の た め に 光 量 が 1/3 ま で 減 少 し て し ま う ． こ れ は 環 境 光 を 利 用 す る 反 射 型 の 場 合 は 画 面 が 暗 く な る た め 致 命 的 な 問 題 と な る ．

三 つ 目 に ，従 来 の 液 晶 デ ィ ス プ レ イ(liquid crystal display, LCD)が 挙 げ ら れ る ．こ こ 数 年 で は ，株 式 会 社 ジ ャ パ ン デ ィ ス プ レ イ(JDI)が ス マ ー ト ウ ォ ッ チ 等 で 反 射 型 液 晶 デ ィ ス プ レ イ を 実 用 化 し て い る ． 従 来 の 透 過 型 は 図 1.1.4 に 示 す 通 り だ が ，反 射 型 へ 応 用 す る 場 合 は 電 子 ペ ー パ ー と 同 様 ，環 境 光 の み で は 光 量 不 足 と な る ．JDI は こ れ を ， 光 散 乱 を 正 面 方 向 へ 絞 る 層 の 追 加 ， 高 反 射 率 の Ag 電 極 の 使 用 ，RGBW(red, green, blue, white)の フ ィ ル タ 等 に よ り 反 射 率 を 向 上 さ せ る こ と に 成 功 し た[11]．し か し な が ら ，有 機 LED と 対 照 的 に

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液 晶 層 ， 偏 光 板 ， 駆 動 電 極 ， マ イ ク ロ 反 射 電 極 等 の 積 層 構 造 か ら 成 る た め ， か ね て よ り 高 い 形 態 自 由 度 を 有 す る デ ィ ス プ レ イ へ の 応 用 展 開 は 困 難 で あ っ た ．

図 1.1.4. 液 晶 デ ィ ス プ レ イ の 構 造 ．

(https://www.j-display.com/technology/lcdbasic.html)

四 つ 目 に ，MEMSデ ィ ス プ レ イ の 中 で も 環 境 光 を 利 用 す る 単 一 ミ ラ ー 干 渉 (single mirror interferometric, SMI) デ ィ ス プ レ イ (Qualcomm MEMS Technologies)が 挙 げ ら れ る[12]．こ れ は 図 1.1.5 に 示 す よ う に ，可 動 ミ ラ ー を MEMS ア ク チ ュ エ ー タ で 駆 動 す る こ と で 干 渉 す る 光 路 長 を 制 御 し ，低 消 費 電 力 な 反 射 型 か つ カ ラ ー 化 を 実 現 し た ．し か し な が ら ，製 造 コ ス ト ，歩 留 ま り に 解 決 困 難 な 問 題 が 生 じ ，2014 年 頃 に 技 術 譲 渡 も さ れ ず に 凍 結 さ れ た ．

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図 1.1.5. SMI デ ィ ス プ レ イ の 原 理 お よ び 構 造[12]．

五 つ 目 に ，図 1.1.6 に 示 す 相 変 化 材 料(phase change material, PCM)を 利 用 し た SRD^®(solid-state reflective displays^®)の 研 究 が 行 わ れ て い る[13–16]． こ れ は キ ャ ビ テ ィ 干 渉 を 利 用 し て お り ， 挟 ま れ た PCM が 熱 や 電 気 的 に ア モ ル フ ァ ス 状 態 ， 結 晶 状 態 と 変 化 す る 性 質 等 を 利 用 し て 色 変 調 す る こ と が で き る ． し か し ，PCM を 制 御 す る マ イ ク ロ ホ ッ ト プ レ ー ト や パ ル ス 源 等 の 外 部 コ ン ポ ー ネ ン ト が 必 要 に な る ．こ れ ま で 表 示 素 子 と し て 利 用 さ れ た 実 績 の な い 技 術 の た め ，駆 動 に 要 す る 消 費 電 力 ，安 全 性 ，製 造 コ ス ト ，歩 留 ま り ，耐 久 性 の よ う な 潜 在 的 な 課 題 が 挙 げ ら れ ，実 用 化 は さ ら に 年 月 を 要 す る と 思 わ れ る ．

原理 構造

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図 1.1.6. SRD の 構 造 お よ び 反 射 色[15]．

1.2 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル に よ る カ ラ ー フ ィ ル タ

貼 り 付 け 型 表 示 素 子 に 向 け て は ，実 現 可 能 性 を 有 す る 様 々 な 競 合 技 術 が 報 告 さ れ て る ．し か し な が ら ，一 長 一 短 で あ り 低 消 費 電 力 ，反 射 型 ，お よ び カ ラ ー 化 機 能 を 兼 ね 備 え る 技 術 に 乏 し い ．そ こ で 本 研 究 で は ，新 た な ア プ ロ ー チ と し て プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル に 着 目 し た ．

1.2.1 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル

メ タ マ テ リ ア ル と は ，サ ブ 波 長 ス ケ ー ル の 金 属 の ナ ノ 構 造 体 で 形 成 さ れ る 人 工 光 学 物 質 で あ る ．自 然 界 に 存 在 す る 物 質 は 光 の 磁 場 に 応 答 す る こ と が で き な い た め ，そ の 比 透 磁 率 は 真 空 と 同 じ 1.0 で あ る が ，ナ ノ 構 造 体 の 共 振 現 象 を 利 用 す る こ と で 誘 電 率 お よ び 透 磁 率 を 制 御 す る こ と が で き る ．こ の 結 果 と し て ，負 の 屈 折 率 を は じ め と す る 様 々 な 新 奇 の 電 磁 気 学 特 性 を 発 現 さ せ る こ と が 可 能 で あ る[17, 18]． 一 方 ， 負 の 誘 電 率 を 示 す 金 属 に 周 期 的 な 穴 を 配 置 す る こ と で ，表 面 プ ラ ズ モ ン と 呼 ば れ る 表 面 波 が 伝 播 す る こ と が 知 ら れ て い る[19]．こ れ を 利 用 す る こ と で ，負 の 誘 電 率 を マ イ ク ロ 波 帯 域 で 生 じ さ せ

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る こ と が で き る ．こ の よ う な 物 質 は 自 然 界 に 存 在 し な い こ と か ら ，微 細 周 期 構 造 を 持 つ 金 属 は 広 義 に プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル と 呼 ば れ て い る [20]．プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル と 外 部 電 磁 場 と の エ ネ ル ギ ー 結 合 に つ い て は 次 節 で 述 べ る ．

1.2.2 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴

多 数 の 自 由 電 子 に よ る 金 属 結 合 で 構 成 さ れ た バ ル ク の 金 属 内 部 は ，一 種 の プ ラ ズ マ 状 態 と 見 做 す こ と が で き る が ， 図 1.2.1 に 示 す よ う に 外 部 電 磁 場 の 影 響 を 受 け た 金 属 内 部 で は 多 数 の 自 由 電 子 に よ る 粗 密 波(縦 波)が 生 じ る ．こ れ を プ ラ ズ モ ン と 呼 ぶ ．自 由 空 間 の 伝 播 光 は ，横 波 で あ る た め に 金 属 内 部 へ 侵 入 す る こ と が で き ず ，縦 波 の プ ラ ズ モ ン と 伝 播 光 と が 結 合 し な い ．こ れ は ， プ ラ ズ マ 周 波 数 以 下 に お い て イ オ ン 核 が 静 電 遮 蔽 さ れ ，分 極 で き な い た め で あ る ．身 近 な 例 で は ，光 が 金 属 を 透 過 す る こ と が で き ず に 反 射 す る 際 の 金 属 光 沢 と し て 観 察 さ れ る ．し か し な が ら ，金 属 － 誘 電 体(空 気 を 含 む)界 面 に お い て は ，プ ラ ズ モ ン が 指 数 関 数 的 に 減 少 す る エ バ ネ ッ セ ン ト 波 と し て 存 在 す る ．こ れ を 表 面 プ ラ ズ モ ン と 呼 ぶ ．表 面 プ ラ ズ モ ン は 光 の 波 長(サ ブ 波 長)程 度 の 領 域 で し み 出 た 電 子 の 集 団 振 動 で あ る が ，伝 播 光 と 同 様 に 横 波 の 性 質 を 持 つ ．そ の た め ，両 者 は 結 合 す る こ と が で き ，光 の 回 折 限 界 以 下 の 領 域 へ 光 を 閉 じ 込 め る こ と が 可 能 に な る[21]．通 常 ，表 面 プ ラ ズ モ ン の 波 数 は 自 由 空 間 を 伝 搬 す る 光 の 波 数 よ り 高 い た め エ ネ ル ギ ー が 授 受 さ れ な い ．表 面 プ ラ ズ モ ン を 励 起 す る 方 法 と し て は ，プ リ ズ ム を 用 い た Otto 配 置 や Kretschmann 配 置 か ら な る 全 反 射 減 衰 法(Attenuated Total Reflection，ATR)，回 折 格 子 結 合 法 が 挙 げ ら れ る[22]．両 者 い ず れ の 場 合 も ，伝 搬 光 よ り 波 数 が 高 い エ バ ネ ッ セ ン ト 光(場)を 生 じ さ せ る こ と で 表 面 プ ラ ズ モ ン を 励 起 す る こ と が で き る ．

プ ラ ズ モ ン の 挙 動 が 初 め て 観 測 さ れ た の は 1930 年 で あ る ．E. Rudberg ら は ，金・銀・銅 に 電 子 を 照 射 し て 反 射 ス ペ ク ト ル の 光 強 度 損 失 を 観 測 し た[23, 24]． 当 時 は 電 子 エ ネ ル ギ ー の 損 失 と し て 発 見 さ れ ， の ち に プ ラ ズ モ ン と 名 づ け ら れ た ．表 面 プ ラ ズ モ ン は ，1957 年 に R. H. Ritchie ら に よ り ，バ ル ク プ ラ ズ モ ン と は 別 に 表 面 由 来 の プ ラ ズ マ 振 動 に よ る 損 失 と し て 理 論 的 に 示 さ れ た[25]．表 面 プ ラ ズ モ ン 現 象 を 利 用 し た ア プ リ ケ ー シ ョ ン と し て は ，1983

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年 に 免 疫 学 的 検 定(イ ノ ム ア ッ セ イ)で 始 め て 応 用 さ れ た[26]．

図 1.2.1. 表 面 プ ラ ズ モ ン の 原 理 ．

次 節 で は ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を 利 用 し た カ ラ ー フ ィ ル タ の 基 本 原 理 に つ い て 述 べ る ．

1.2.3 光 の 異 常 透 過 現 象

T. W. Ebbesen ら は 1998 年 に ， 光 の 波 長 以 下 の 周 期 的 な 貫 通 孔 の 空 い た 銀 薄 膜 に 透 過 し た 光 が ，Bethe の 微 小 開 口 面 積 に 照 射 さ れ た 光 の 透 過 率 に 関 す る 理 論[27]の 10倍 以 上 の 値 を 示 す こ と を 発 見 し た[28, 29]． こ の 現 象 は 光 の 異 常 透 過(extraordinary optical transmission, EOT)と 呼 ば れ ， プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル を 利 用 し た カ ラ ー フ ィ ル タ に お い て 支 配 的 な 原 理 と な っ て い る ． 図 1.2.2 に 概 念 図 を 示 す ． 金 属 回 折 格 子 に 伝 搬 光 が 入 射 す る と ， 回 折 光 に よ る エ バ ネ ッ セ ン ト 場 が 金 属 表 面 に 発 生 す る が ，こ の と き 金 属 格 子 周 期 お よ び 金 属/誘 電 体 の 誘 電 率 に 依 存 し た 波 長 共 鳴 が 生 じ る ． 以 下 に 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 λS P Rの 理 論 式 を 示 す ．

𝜆_𝑆𝑃𝑅 = 𝛬

𝑚√ 𝑅𝑒[𝜀_𝑚]𝜀_𝑑 𝑅𝑒[𝜀𝑚] + 𝜀𝑑

(1.1)

こ こ で ，Λ は 金 属 格 子 の パ タ ー ン 周 期 ，m は 回 折 次 数 ，εmと εdは そ れ ぞ れ 金 属 の 比 誘 電 率 と 誘 電 体 の 比 誘 電 率 で あ る ．表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に よ り 吸 収

空気 伝播光

サブ波長 金属

表面プラズモン

電場の方向

プラズモン 距離

電界強度

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さ れ た エ ネ ル ギ ー は ，回 折 格 子 の ギ ャ ッ プ を 経 て 反 対 側 界 面 で 再 び 伝 播 光 へ 変 換 さ れ ，異 常 透 過 光 と し て 放 出 さ れ る ．(1.1)式 よ り ，表 面 プ ラ ズ モ ン 励 起 波 長 の パ ラ メ ー タ で は 金 属 格 子 周 期 が 支 配 的 で ，励 起 波 長 制 御 に 有 効 で あ る こ と が 分 か る ． ま た ， 金 属 か ら 誘 電 体 側 へ の 電 界 の し み 出 し 長 が 数 十-数 百 nm に な る[30]．そ の た め ，光 の 回 折 限 界 よ り 微 細 な 金 属 周 期 構 造 で も 光 を 局 在 さ せ る こ と が で き る ．

図 1.2.2. 光 の 異 常 透 過 現 象 ．

次 節 で は ，光 の 異 常 透 過 現 象 を 利 用 し た カ ラ ー フ ィ ル タ の 先 行 研 究 を 紹 介 す る ．

1.2.4 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ の 現 状

図 1.2.3 に K. Kumar ら に よ っ て 製 作 さ れ た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ を 示 す[31]．構 造 は バ ル ク 基 板 に 周 期 的 な 金 属 を 配 列 す る だ け で あ る ．こ

表面プラズモン共鳴(SPR) 異常透過光(EOT)

入射光 反射光

格子周期

金属回折格子(ナノワイヤー)

Transmittance

Wavelength

Reflectance

Wavelength

extending

contracting contracting extending

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の プ ラ ズ モ ニ ッ ク サ ブ 波 長 格 子 を 形 成 す る バ ル ク 基 板 材 料 は 共 鳴 波 長 に 影 響 し な い た め ， 石 英 透 明 基 板[32–35]，MaF2[36]，InP[37]，Si[31]な ど 様 々 な 材 料 で 報 告 さ れ て い る ．さ ら に ，フ レ キ シ ブ ル な カ ラ ー フ ィ ル タ を 形 成 す る た め に poly(ethylene terephthalate) (PET)フ ィ ル ム[38–40]で も 報 告 さ れ て い る ． 金 属 は 膜 厚 が 数 十-百nmで パ タ ー ン 周 期 は 光 の 回 折 限 界 よ り 小 さ い ．図1.2.3 (a)は 実 際 の デ バ イ ス 構 造 で ， 金 属 構 造 パ ラ メ ー タ に 依 存 し た 特 定 波 長 を 反 射 す る ．図 1.2.3 (b)で は 領 域 ご と に 金 属 構 造 周 期 を 設 計 す る こ と で 一 枚 絵 を 表 示 し て い る ． 図 1.2.3 (c)は 拡 大 し た 画 素 で ，3×3 お よ び 2×2 ド ッ ト で の 色 表 示 に 成 功 し て い る ．

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図 1.2.3. 反 射 型 の プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) デ バ イ ス 構 造 ，(b) 白 色 光 を 入 射 し た と き の 光 学 顕 微 鏡 画 像 ， お よ び(c) 画 素 の 拡 大 図[31]．

図 1.2.4 は 豊 田 中 央 研 究 所 と 国 立 研 究 開 発 法 人 物 質・材 料 開 発 機 構(NIMS) に よ っ て 製 作 さ れ た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で あ る[41]． 図 1.2.4 (a) の よ う に ガ ラ ス 基 板 上 に Al ホ ー ル ア レ イ を 形 成 し ，SiO2薄 膜 で 覆 っ て い る ． 図 1.2.4 (b)は 白 色 光 を 入 射 し た と き に 観 測 さ れ た 光 学 顕 微 鏡 画 像 で ，Al ホ

(a)

(b)

(c)

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ー ル パ タ ー ン お よ び 構 造 周 期 に 依 存 し た 様 々 な 透 過 色 の 表 示 に 成 功 し て い る ． 図 1.2.4 (c)は 透 過 光 の 分 光 ス ペ ク ト ル で ，可 視 光 領 域 を カ バ ー す る よ う に シ フ ト し て お り ， 最 大 で 30%程 度 の 透 過 率 を 示 し て い る ．

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図 1.2.4. 透 過 型 の プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) デ バ イ ス 構 造 ，(b) 白 色 光 を 入 射 し た と き の 光 学 顕 微 鏡 画 像 ， お よ び(c) 測 定 さ れ た 透 過 光 ス ペ ク ト ル[41]．

典 型 的 な プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ に つ い て 表 1.2.1 に ま と め た[41–

(a)

(c)

(b)

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45]． 金 属 材 料 は 様 々 で あ る が ， 基 本 的 に バ ル ク 基 板 上 に 金 属 周 期 構 造 が 形 成 さ れ た 単 純 な 構 造 で あ る ．波 長 制 御 方 法 は 光 入 射 角 や 屈 折 率 変 化 等 が 挙 げ ら れ る が ，金 属 パ タ ー ン の 周 期 変 化 が 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に 最 も 支 配 的 な 要 素 で あ り ， 構 造 的 に も 簡 単 で あ る ． こ れ ら の 金 属 一 層 構 造 で は 透 過 率/反 射 率 は 最 大 で 60%程 度 で ， 半 値 幅(full width at half maximum, FWHM)は 良 特 性 で 100 nm 以 下 で あ る ．こ れ ら の 特 性 は ，金 属 － 誘 電 体 － 金 属(Metal-Insulator- Metal，MIM)構 造[36, 46–51]や 導 波 モ ー ド 共 鳴(Guided-Mode Resonance， GMR)[52–58]等 を 利 用 す る こ と で ，光 強 度 は 60%以 上 ，半 値 幅 は 20 nm 程 度 ま で 改 善 可 能 で あ る ．波 長 帯 域 は ，可 視 光 帯 域 の カ ラ ー フ ィ ル タ や マ イ ク ロ 波 帯 域 の 無 線 通 信 デ バ イ ス 等 の 用 途 に 合 わ せ て 設 計 す る こ と が で き る ．フ ィ ル タ の ア ク テ ィ ブ 領 域 に は サ ブ 波 長 格 子 を 形 成 す る こ と か ら フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ の 分 解 能 で は 足 り な い た め ，ス ル ー プ ッ ト に 課 題 が あ る ．し か し な が ら ， レ ー ザ ー 干 渉 リ ソ グ ラ フ ィ[43, 59]や ナ ノ イ ン プ リ ン ト 技 術[52, 60]を 用 い て 微 細 構 造 を 製 作 す る こ と で 大 面 積 化 が 可 能 で あ り ，プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で も 検 討 さ れ て い る ．

ま た ， 実 用 化 に 向 け て は プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ を CMOS イ メ ー ジ セ ン サ と 一 体 化 し た 成 果 が 報 告 さ れ た[32, 61]．既 報 で は ，1×1 µm²の 画 素 を Al ホ ー ル ア レ イ で 製 作 し ， ク ロ ス ト ー ク の 少 な い 高 解 像 度 の イ メ ー ジ セ ン サ の た め の 原 理 実 証 を 行 っ て い る[32]．

表 1.2.1 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ の 性 能 比 較 ．

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プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ を 表 示 素 子 と し て 用 い る 場 合 ，フ ィ ル タ 部 と は 別 に 光 量 調 整 を 行 う た め の 機 構 が 必 要 で あ る ．文 献[39]で は 電 気 化 学 的 な 方 法 で ，90%以 上 の 反 射 率 か つ 0.5 mW/cm² 以 下 の 超 低 消 費 電 力 で マ ル チ カ ラ ー の ON/OFF に 成 功 し て い る ． 図 1.2.5 (a)は ， ポ リ ピ ロ ー ル を Au の プ ラ ズ モ ニ ッ ク サ ブ 波 長 格 子 表 面 に 電 解 重 合 し て 形 成 さ れ た メ タ サ ー フ ェ ス で あ る ．こ の 状 態 で は ，ポ リ ピ ロ ー ル が 光 を 吸 収 す る た め 表 面 プ ラ ズ モ ン は 励 起 さ れ な い ．図 1.2.5 (b)に 示 す よ う に ，電 解 質 に 電 圧 を 印 加 す る こ と で ポ リ ピ ロ ー ル に 酸 化 還 元 反 応 が 生 じ ， 可 視 光 領 域 の 光 を 吸 収 し な く な る た め Au に 到 達 し た 光 に よ る 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 が 起 こ る ． フ レ キ シ ブ ル 電 子 ペ ー パ ー を タ ー ゲ ッ ト と し て い る が ，電 解 質 や 対 向 電 極 か ら な る 積 層 構 造 が 課 題 と な る ．ま た ，RGB の 加 法 混 色 法 に よ る た め ，サ ブ 画 素 ご と に 光 の ON/OFF お よ び 光 量 を 制 御 し な け れ ば な ら な い ．

図 1.2.5. プ ラ ズ モ ニ ッ ク サ ブ 波 長 格 子[39]．(a) 光 制 御 の 断 面 原 理 図 ，お よ び(b) 電 圧 印 加 時 の 反 射 光 の 様 子 ．

(a)

(b)

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1.3 動 的 色 変 調

表 面 プ ラ ズ モ ン を 介 し て 発 現 す る 現 象 の 中 で も ，光 の 回 折 限 界 を 超 え た 光 閉 じ 込 め 効 果 お よ び 光 学 ス ペ ク ト ル の 高 い 制 御 性 は 特 異 な 現 象 で あ り ，こ れ ら の 潜 在 的 な 可 能 性 を 応 用 す る 研 究 に 注 目 が 集 ま っ て い る ．近 年 の カ ラ ー フ ィ ル タ 応 用 で は ，ス ペ ク ト ル 制 御 性 を 生 か し た 動 的 色 変 調 と 呼 ば れ る 機 能 が 研 究 さ れ 始 め て い る ．

1.3.1 有 用 性

動 的 色 変 調 と は ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 に 依 存 す る パ ラ メ ー タ を 制 御 す る こ と で 動 的 か つ 可 逆 的 に 表 示 す る 色 を 制 御 す る 技 術 で あ る ． 色 表 示 は ， RGB サ ブ 画 素 を 要 さ ず 単 一 面 に 入 射 す る 光 を 直 接 制 御 す る た め ， 環 境 光 を 利 用 し た 反 射 型 カ ラ ー フ ィ ル タ を 可 能 に す る ．ま た ，サ ブ 画 素 に よ る 光 損 失 を 低 減 で き る ．そ の 他 に ，単 一 構 造 に よ る 連 続 的 な 入 出 力 変 位 の 検 出 ，新 た に 機 械 変 位 の 検 出 に 対 応 で き る よ う に な り ，高 解 像 度 デ ィ ス プ レ イ ，ハ イ パ ー ス ペ ク ト ル イ メ ー ジ ン グ ，ひ ず み 応 力 イ メ ー ジ ン グ・セ ン シ ン グ が 期 待 さ れ る ．特 に ，バ ッ ク ラ イ ト を 用 い ず に 低 消 費 電 力 を 達 成 す る 反 射 型 か つ カ ラ ー 表 示 を 可 能 に す る 超 低 消 費 電 力 な デ ィ ス プ レ イ を 実 現 す る た め に は ，前 述 の バ ル ク 基 板 に 固 定 さ れ た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で は 本 質 的 に 困 難 で あ る ． な ぜ な ら ， 反 射 型 で は 透 過 型 の よ う に シ ャ ッ タ ー や 液 晶 で RGB サ ブ 画 素 の 各 々 に 入 射 す る 光 量 の 調 整 が 困 難 な た め で あ る ．電 子 ペ ー パ ー の フ ル カ ラ ー 表 示 が 実 用 化 さ れ て い な い よ う に ，実 現 す る た め に は 光 量 減 少 等 の 潜 在 的 な 課 題 が 生 じ る ．そ の た め ，単 一 画 素 で 入 射 光 を 中 間 色 へ 変 調 す る 動 的 色 変 調 が 有 用 な 技 術 と 考 え ら れ る ．次 節 で は ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に 依 存 す る 物 性 値 を 制 御 す る こ と で 動 的 か つ 可 逆 的 に 色 変 調 す る た め の 方 法 を 述 べ る ．

1.3.2 制 御 方 法

動 的 色 変 調 に お い て は ，(1.1)式 で 示 し た 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に 関 与 す る パ ラ メ ー タ を 制 御 す る ．基 本 的 に は ，カ ラ ー フ ィ ル タ 以 外 に 機 械 駆 動 す る 機 構 ， 液 晶 ，電 解 液 等 の 外 部 コ ン ポ ー ネ ン ト を 要 す る ．既 報 で は ，回 折 格 子 周 期[62–

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68]，誘 電 体 基 板 の 屈 折 率[69–71]，光 の 入 射 角[72–74]，偏 光 方 向[75–79]，化 学 的 手 法[38, 39, 80–83]に よ る 制 御 で 実 現 さ れ て い る ．図 1.3.1 は ，こ れ ま で の デ ィ ス プ レ イ 技 術 で 主 流 だ っ た 液 晶 構 造 と プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 の 相 互 作 用 に よ り 誘 電 体 層 の 屈 折 率 を 制 御 し ， 動 的 色 変 調 を 実 現 し て い る ． 図 1.3.1 (a)は ，液 晶 層 を 二 次 元 プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 上 に 形 成 し て い る[71]．電 圧 印 加 に よ り 液 晶 の 配 向 が 変 化 す る た め に ，入 射 光 の 感 じ る 屈 折 率 が 変 化 す る こ と で 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 が 変 化 す る ．プ ラ ズ モ ニ ク ス を 利 用 し た 動 的 色 変 調 の 中 で は ，構 造 の 安 定 性 お よ び カ ラ ー チ ュ ー ニ ン グ の 再 現 性 に 優 れ て い る ． さ ら に ，応 答 速 度 が ミ リ 秒 オ ー ダ ー で 高 時 間 分 解 能 に 向 け た ア プ リ ケ ー シ ョ ン に 適 し て い る ． し か し な が ら ， 図 1.3.1 (b)の 最 大 印 加 電 圧 が 13.6 V/µm と 高 い ．ま た ，カ ラ ー パ レ ッ ト に 示 さ れ た よ う に 電 圧 変 化 に よ る 色 の 変 位 は 小 さ く ，そ の 波 長 ス ペ ク ト ル シ フ ト は 最 大 で 95 nm で あ っ た た め ，電 圧 制 御 の み で は 可 視 光 波 長 領 域 の 200 nm を カ バ ー す る こ と が 困 難 で あ る ．こ の 場 合 ， 周 期 の 異 な る 構 造 の 作 り 分 け が 必 要 と な る ．屈 折 率 は 共 鳴 波 長 に 平 方 根 で 影 響 す る た め ， そ の 変 調 に よ る 波 長 変 位 は 小 さ い ．

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図 1.3.1. 液 晶 配 向 に 依 存 す る 屈 折 率 変 化 を 利 用 し た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) デ バ イ ス 構 造 お よ び 変 調 原 理 ，お よ び(b) 印 加 電 圧 と 構 造 周 期 の 違 い に よ り 得 ら れ る カ ラ ー パ レ ッ ト[71]．

(a)

(b)

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次 に ，入 射 角 度 に 依 存 す る 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 の 変 位 を 利 用 し た ス ペ ク ト ル 制 御 を 示 す ．対 称 な 回 折 格 子 で は ，伝 播 型 表 面 プ ラ ズ モ ン と 結 合 す る 回 折 光 の 波 数 が 入 射 角 度 で 異 な る た め に 依 存 性 を 持 つ ．中 で も 図 1.3.2 の L.

Duempelmann ら は ，発 展 形 と し て 非 対 称 構 造 を 利 用 し て 入 射 角 度 に よ る ス ペ ク ト ル 制 御 に 成 功 し て い る[74]．非 対 称 構 造 は ナ ノ イ ン プ リ ン ト を 用 い て 凹 凸 形 状 を 形 成 し ，Al 蒸 着 時 に 角 度 を 持 た せ る こ と で 形 成 し て い る ． 図 1.3.2 (a)に 示 す よ う に ，レ イ リ ー・ウ ッ ド の 回 折 異 常 に 起 因 す る 伝 播 型 表 面 プ ラ ズ モ ン(実 線)を 入 射 角 度 で 制 御 し ，入 射 角 度 に 依 存 し な い 局 在 型 表 面 プ ラ ズ モ ン(破 線)と の 結 合 強 度 を 制 御 す る こ と で 非 対 称 な フ ァ ノ 形 状 の 透 過 ス ペ ク ト ル を 形 成 し て い る ．結 果 と し て ， 図 1.3.2 (b)の ガ ラ ス 基 板 上 に 形 成 さ れ た 構 造 が θ お よ び φ 方 向 の 角 度 に 依 存 し た 異 な る カ ラ ー レ ン ダ リ ン グ に 成 功 し て い る ．

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図 1.3.2. 入 射 角 度 に よ る 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 の 違 い を 利 用 し た 非 対 称 周 期 構 造 の プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) 入 射 角 度 に 依 存 す る(a) 透 過 ス ペ ク ト ル お よ び(b) カ ラ ー レ ン ダ リ ン グ[74]．

表 面 プ ラ ズ モ ン の 励 起 は 回 折 光 を 介 す る た め ，入 射 光 が 回 折 格 子 の 周 期 性 を 感 じ る 偏 光 方 向 で 電 場 が 振 動(TM 偏 光)し て い な く て は な ら な い ． こ れ を 利 用 す る た め ，二 次 元 周 期 構 造 に お い て 二 種 類 の 異 な る 格 子 周 期 を 有 す る プ ラ ズ モ ニ ッ ク サ ブ 波 長 格 子 が 報 告 さ れ て い る ． こ れ は ， 偏 光 方 向 を 90°制 御

(b)

(a)

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す る こ と で 全 く 異 な る カ ラ ー 表 示 が 可 能 で あ る ． 図 1.3.3 は 偏 光 依 存 性 を 利 用 し て 立 体 画 像 を 表 示 す る 応 用 研 究 で あ る[77]．同 一 基 板 上 に 二 次 元 平 面 の そ れ ぞ れ で 異 な る 格 子 周 期 を 持 つ Al の 正 方 形 を 形 成 す る こ と で ， 偏 光 方 向 の 変 化 に 伴 い 表 示 画 像 を 変 更 す る こ と に 成 功 し て い る ．さ ら に ，同 一 領 域 に 僅 か に ず れ た 二 重 の 画 像 を エ ン コ ー ド す る こ と に よ り ，左 右 の 目 に 異 な る 偏 光 像 を 結 像 さ せ る と 画 像 に 奥 行 き を 持 つ 三 次 元 の 立 体 画 像 を 表 示 可 能 と な る ．

図 1.3.3. 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 波 長 の 偏 光 依 存 性 を 利 用 し た 二 種 類 の 周 期 性 を 有 す る プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ[77]．

前 述 し た よ う な プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル 以 外 の 要 素 で 共 鳴 波 長 を 制 御 す る 方 法 と は 異 な り ，化 学 的 手 法 を 用 い て メ タ マ テ リ ア ル そ の も の を 変 化 さ せ た 報 告 が あ る ． こ れ に よ り ， 出 力 カ ラ ー の 彩 度 ， 光 量 ， 光 の ON/OFF の 調 整 が 可 能 に な る 他 ， 動 的 色 変 調 も 実 現 で き る ． 図 1.3.4 (a)の よ う に ゲ ル 状 の 電 解 物 を 電 解 重 合 し ，Au コ ア に Ag シ ェ ル を 堆 積 さ せ る こ と で ス ペ ク ト ル を 変 調 し て い る ．図 1.3.4 (b)の デ モ ン ス ト レ ー シ ョ ン で は ，カ メ レ オ ン

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の 筐 体 に プ ラ ズ モ ニ ッ ク セ ル を 設 置 し ，セ ン サ で 検 出 し た 周 囲 環 境 の 色 を 再 現 し て い る ． 実 験 で は ， 背 景 色 で カ モ フ ラ ー ジ ュ す る こ と に 成 功 し て い る ． し か し な が ら ， 電 解 液 や ガ ス 等 の 大 掛 か り な コ ン ポ ー ネ ン ト を 要 す る た め ， 製 作 コ ス ト お よ び 小 型 化/薄 型 化 の 課 題 が 残 る ．

図 1.3.4. 電 界 重 合 反 応 を 利 用 し た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ[77]． (a)

(b)

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一 方 で ，回 折 格 子 の 構 造 周 期 に よ る 波 長 制 御 は ，(1.1)式 か ら 自 明 な よ う に 入 力 量 に 対 し て 得 ら れ る 変 位 量 が 比 較 的 大 き く ，他 手 法 の よ う に 回 転 機 構 や 溶 液 を 用 い な い た め に 比 較 的 製 造 が 容 易 か つ 小 型/薄 型 化 す る デ バ イ ス に 適 し て い る ．ま た ，MEMS 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ へ の 利 点 だ け で な く ，格 子 周 期 が 屈 折 率 よ り 制 御 範 囲 が 広 く 容 易 な こ と か ら ，可 視 光 以 外 の 波 長 帯 域 に 対 し て も 設 計 可 能 で あ る ．こ れ よ り ，動 的 色 変 調 に お い て は ，回 折 格 子 の 周 期 制 御 が 実 用 的 な ア プ ロ ー チ と な る ．格 子 周 期 の 制 御 方 法 と し て ，こ れ ま で 本 研 究 室 か ら 報 告 し て き た 中 空 構 造 の Al サ ブ 波 長 格 子 に つ い て 以 下 に 述 べ る ．

1.3.3 中 空 ナ ノ ヒ ン ジ 構 造 を 利 用 し た 周 期 制 御

本 研 究 室 で は こ れ ま で に ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を 励 起 す る 波 長 を 決 定 す る う え で 最 も 支 配 的 な パ ラ メ ー タ で あ る 金 属 格 子 配 列 の 周 期 を 制 御 す る こ と で ，光 の 異 常 透 過 現 象 を 制 御 す る 研 究 に 取 り 組 ん で き た[84–86]．デ バ イ ス は ， 図 1.3.5 に 示 す コ ン セ プ ト 図 の よ う に 中 空 の Al ナ ノ ワ イ ヤ ー 格 子 配 列 と 静 電 櫛 歯 型 MEMS ア ク チ ュ エ ー タ と が 一 体 化 さ れ た 構 造 で あ る ． こ の 構 造 よ り ，電 圧 駆 動 で 格 子 周 期 を 制 御 で き ，そ れ に 伴 う 異 常 透 過 光 の ス ペ ク ト ル を 制 御 す る こ と が 可 能 で あ る ．

図 1.3.5. 静 電 櫛 歯 ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 さ れ た Al ナ ノ ワ イ ヤ ー サ ブ 波 長 格 子 ．(a) 1 画 素 の 構 造 ， お よ び(b) 拡 大 図[84]．

図 1.3.6 は 実 際 に 製 作 さ れ た 表 面 プ ラ ズ モ ン 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ の SEM 画 像 で あ る ．製 作 方 法 は ，第 2 章 で 後 述 す る 犠 牲 層 エ ッ チ ン グ プ ロ セ ス を 行 い ，基 板 か ら 自 立 し た Alナ ノ ワ イ ヤ ー 配 列 を 形 成 す る こ と に 成 功 し て い る ． 格 子 に は 最 小 幅 100 nm の ヒ ン ジ が 設 け ら れ て お り ， 格 子 を 駆 動 す る た め の

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バ ネ の 役 割 を し て い る ． 図 1.3.7 は 製 作 さ れ た 表 面 プ ラ ズ モ ン 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ で あ る ．Si 基 板 に 製 作 さ れ て お り ，各 画 素 に は 光 を 透 過 さ せ る た め の 基 板 貫 通 孔 が 設 け ら れ て い る ． 図 1.3.7 (b) は 裏 面 か ら 白 色 光 を 入 射 し た と き の 透 過 光 学 顕 微 鏡 画 像 ， 図 1.3.7 (c)は 対 応 す る Al 格 子 の SEM 画 像 で あ る ．こ れ よ り ，Al 格 子 周 期 に 付 随 し た 青・緑・黄 色・赤 の 透 過 色 が 観 測 さ れ て い る ．

図 1.3.6. 製 作 さ れ た 静 電 櫛 歯 ア ク チ ュ エ ー タ お よ び 一 体 化 さ れ た Al ナ ノ ワ イ ヤ ー サ ブ 波 長 格 子 の SEM画 像 ．(a) 全 体 図 ，(b) フ ィ ル タ 領 域 ， お よ び(c) ヒ ン ジ 部 分[84]．

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図 1.3.7. 製 作 さ れ た 表 面 プ ラ ズ モ ン 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) チ ッ プ 写 真 ， (b) 透 過 顕 微 鏡 画 像 ， お よ び(c) Al 格 子 の SEM 画 像[85]．

図 1.3.8 は 静 電 櫛 歯 型 ア ク チ ュ エ ー タ を 電 圧 駆 動 し ，Al ナ ノ ワ イ ヤ ー 格 子 の 周 期 を 変 更 し た と き の 透 過 光 ス ペ ク ト ル で あ る ．60 V ま で 印 加 す る こ と で 550 nm か ら 670 nm 程 度 ま で ピ ー ク 波 長 シ フ ト し て お り ， 図 1.3.8 (b)の SEM 画 像 か ら も 格 子 周 期 が 電 圧 増 加 に 伴 い 拡 大 し て い る 様 子 が 分 か る ． 以 上 よ り ， 可 視 光 領 域 に 渡 り 透 過 色 の 制 御 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し て い る ． サ ブ 画 素 を 要 さ ず 単 画 素 で 実 現 す る カ ラ ー フ ィ ル タ は ，ハ イ パ ー ス ペ ク ト ル イ メ ー ジ ン グ や 高 解 像 度 デ ィ ス プ レ イ に 向 け て 魅 力 的 な シ ス テ ム で あ る ．

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図 1.3.8. 電 圧 制 御 に よ る 透 過 光 ス ペ ク ト ル の シ フ ト ， お よ び(b) 電 圧 印 加 時 の Al サ ブ 波 長 格 子 の SEM 画 像[86]．

プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で は ，金 属 微 小 構 造 を 透 過 す る 光 が エ バ ネ ッ セ ン ト 場 に よ る 電 場 増 強 効 果 の た め ，開 口 面 積 に 入 射 す る 光 の 強 度 の 2 倍 の 光 の 強 度 が 透 過 す る こ と か ら 異 常 透 過 現 象 と 呼 ば れ て い る[21]． こ れ は ， 従 来 の 色 素 粒 子 に よ る 波 長 吸 収 で カ ラ ー 化 す る カ ラ ー レ ジ ス ト と 比 較 し て 光 利 用 効 率 が 高 く ，自 然 反 射 光 を 利 用 す る ウ ェ ア ラ ブ ル デ ィ ス プ レ イ に 適 し て い る ．ま た ，プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ は バ ッ ク ラ イ ト を 用 い な い 反 射 型 と し て 製 作 可 能 だ が ，1.2 節 に 示 し た 先 行 研 究 の プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で は ， バ ル ク 基 板 に サ ブ 波 長 格 子 が 固 定 さ れ る た め に RGB 加 法 混 色 で フ ル カ ラ ー を 表 示 す る こ と に な る ． す な わ ち ，RGB の サ ブ 画 素 に 入 射 す る 光 量 を 制 御 す る た め の シ ャ ッ タ ー 構 造 や ON/OFF 機 構 が 必 要 に な り ，デ バ イ ス 構 造 が 複 雑 に な る ．特 に e-skin 等 の 超 薄 膜 シ ス テ ム に 応 用 す る 場 合 に は 課 題 と な る ． そ の た め ， 本 研 究 室 で 検 討 し て き た 静 電 型 の MEMS 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ が 適 し て い る と 思 わ れ る ．可 変 構 造 な ら ば ，格 子 周 期 を 拡 大 ・ 縮 小 し て ON(白 色)/OFF(肌 の 色 に 近 い 薄 橙 色)や ， 混 色 で 表 示 す る 色 を 光 量 調 整 す る こ と な く 直 接 中 間 色 と し て 出 力 可 能 で あ る ．し か し な が ら ，本 研 究

(a) (b)

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グ ル ー プ で 製 作 し た 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ は 静 電 櫛 歯 ア ク チ ュ エ ー タ や ヒ ン ジ で 形 成 し て い る た め ，CMOS イ メ ー ジ セ ン サ と の 一 体 化 や 高 速 動 作 に 適 し て い る が ，構 造 的 に フ レ キ シ ブ ル 性 を 有 し て い な い た め ウ ェ ア ラ ブ ル 素 子 へ の 応 用 が 困 難 で あ る ．よ っ て ，新 た な ア ク チ ュ エ ー シ ョ ン 方 法 を 検 討 す る 必 要 が あ る ．次 節 で は ，ほ と ん ど の 先 行 研 究 で 着 手 さ れ て い る バ ル ク エ ラ ス ト マ ー の 弾 性 変 形 を 利 用 し た 動 的 色 変 調 法 に つ い て 述 べ る ．

1.3.4 バ ル ク エ ラ ス ト マ ー を 利 用 し た 周 期 制 御

構 造 基 板 や 駆 動 部 分 に フ レ キ シ ブ ル 要 素(広 義 に 柔 軟 性 や 伸 縮 性)を 持 つ MEMS デ バ イ ス は ，ウ ェ ア ラ ブ ル シ ス テ ム に 大 き な 波 及 効 果 を 与 え る ．例 と し て ，薬 液 輸 送 可 能 な 包 帯[87]，セ ン サ や デ ィ ス プ レ イ を 備 え る 電 子 皮 膚[88]， 温 度・湿 度 セ ン サ[89]，ひ ず み セ ン サ[90]，圧 力 セ ン サ[91]等 が あ る ．柔 軟 性 を 持 つ フ レ キ シ ブ ル MEMS デ バ イ ス は ， 基 板 と し て ポ リ ジ メ チ ル シ ロ キ サ ン(poly(dimethyl siloxane)，PDMS)や parylene 薄 膜 を 使 用 し て い る ．し か し な が ら ，伸 縮 駆 動 部 を 持 つ よ う な MEMS デ バ イ ス を 考 え る と ，parylene は 弾 性 ひ ず み が 2-3%で あ る た め 伸 縮 材 料 と し て の 使 用 は 困 難 で あ る[92]． 一 方 で ， ゴ ム 弾 性 を 示 す 高 分 子(エ ラ ス ト マ ー)材 料 は ヤ ン グ 率 が 1-100 MPa， 弾 性 ひ ず み が 10-100%に 達 す る た め ，伸 縮 駆 動 デ バ イ ス に 適 し た 材 料 で あ る ．PDMS は こ の よ う な MEMS デ バ イ ス に 広 く 使 用 さ れ る エ ラ ス ト マ ー で あ る[93, 94]． PDMS薄 膜 の 弾 性 ひ ず み は 40%程 度 を 示 す[95]．

近 年 ， こ れ ら の フ レ キ シ ブ ル MEMS デ バ イ ス に 使 わ れ て い る エ ラ ス ト マ ー は ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を 利 用 し た 光 学 デ バ イ ス に も 利 用 さ れ 始 め た ．主 に ， 構 造 周 期 を 制 御 す る た め の 基 板 材 料 と し て 報 告 さ れ て い る ． 既 報 で は ， 局 在 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を サ ポ ー ト す る ナ ノ パ ー テ ィ ク ル[62–64]， 伝 播 型 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を サ ポ ー ト す る 透 過 型[65]，反 射 型[66–68]，フ ォ ト ニ ッ ク － プ ラ ズ モ ニ ッ ク 複 合 型[96]で 成 功 し て い る ．ま た ，表 面 プ ラ ズ モ ン と 相 互 作 用 し な い 誘 電 体 材 料 の 回 折 格 子 で も 報 告 さ れ て い る[97–99]．

図 1.3.9 は ナ ノ デ ィ ス ク を 形 成 し た 膜 厚 2.5 mm の PDMS を ，図 1.3.9 (a)に よ う に 治 具 に 固 定 し て 伸 長 さ せ た 報 告 で あ る ．引 張 ひ ず み 31.6%ま で 印 加 す る こ と で ， 反 射 光 が 緑 色 か ら 紫 色 へ 動 的 に 変 化 さ せ る こ と に 成 功 し て お り ，

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図 1.3.9 (b)の よ う に 反 射 ス ペ ク ト ル も 150 nm ほ ど レ ッ ド シ フ ト し ， ナ ノ デ ィ ス ク の 周 期 も 横 方 向 に 拡 大 さ れ て い る こ と が 分 か る ． 現 状 で は 分 厚 い PDMSた め ，フ ィ ル ム を 伸 長 す る た め に 大 掛 か り な 治 具 を 用 い な け れ ば な ら な い ．

図 1.3.9. PDMS 基 板 に 形 成 し た ナ ノ デ ィ ス ク ア レ イ の 周 期 制 御 ．(a) 引 張 ひ ず み 印 加 の 様 子 ．(b) 反 射 ス ペ ク ト ル シ フ ト と ナ ノ デ ィ ス ク の SEM 画 像[66]．

図 1.3.10 に 示 す 構 造 は ，PDMS基 板 上 に SiO2粒 子 を 形 成 し ，Au ナ ノ 粒 子 を 付 着 さ せ る こ と で 金 属 周 期 構 造 を 製 作 し て い る ．光 が 入 射 し た と き ，Au 粒 子 に 局 在 す る 表 面 プ ラ ズ モ ン に よ り 図 1.3.10 (c)の よ う な 散 乱 強 度 の ピ ー ク が 生 じ る ．PDMS 基 板 を 30%伸 長 す る こ と で 図 1.3.10 (b)に 示 す Au 粒 子 の 周 期 変 化 と と も に ， 散 乱 波 長 を 47 nm シ フ ト さ せ る こ と に 成 功 し て い る[62]．

(a)

(b)

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用 途 と し て は ， 表 面 増 強 ラ マ ン ス ペ ク ト ル デ バ イ ス で あ る ．

図 1.3.10. PDMS 基 板 に 形 成 し た Au ナ ノ キ ャ ッ プ ア レ イ の 周 期 制 御 ．(a) 製 作 工 程 ，(b) Au 粒 子 の 周 期 変 化 の 様 子 ，お よ び(c) 基 板 伸 長 に よ る 散 乱 ピ ー ク シ フ ト[62]．

図 1.3.11 は ，PDMS 基 板 に ナ ノ グ ル ー ブ を 形 成 し ，55 nm の Ag 薄 膜 を 蒸 着 し た 構 造 で あ る ． 図 1.3.11 (a)よ り ， フ ィ ル ム の 伸 長 で 金 属 格 子 周 期 が 線 形 的 に 変 化 し て い る こ と が 分 か る ．図 1.3.11 (b)で は ，23%の フ ィ ル ム 伸 長 で 金 属 格 子 周 期 が 変 化 し ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に 関 係 し た 反 射 ス ペ ク ト ル の デ ィ ッ プ を 80 nm 長 波 長 側 へ シ フ ト さ せ る こ と に 成 功 し て い る[67]．し か し な が ら ，Ag 薄 膜 が つ な が っ て い る た め ， ひ ず み 率 が 高 く な る と 他 の 構 造 に 比 べ て 崩 壊 し や す い と 考 え ら れ る ．

(a)

(b) (c)

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図 1.3.11. PDMS 基 板 に 形 成 し た ナ ノ グ ル ー ブ に よ る 周 期 制 御 ． 引 張 ひ ず み に 伴 う(a) 格 子 周 期 の 変 化 ，お よ び(b) 反 射 ス ペ ク ト ル の デ ィ ッ プ シ フ ト[67]．

図1.3.12はPDMS中 に Auナ ノ ホ ー ル ア レ イ を 埋 め 込 ん だ 構 造 で あ る[65]． 図 1.3.12 (b)の 透 過 ス ペ ク ト ル で は ，x 方 向 に 10%の 引 張 ひ ず み を 印 加 す る と x 偏 光 で は 周 期 拡 大 に 伴 い 6 nm レ ッ ド シ フ ト し ， ひ ず み に 垂 直 方 向 の y 偏 光 で は 7 nm ブ ル ー シ フ ト し て い る ． 製 作 方 法 は 図 1.3.12 (a)の よ う に 簡 便

(a)

(b)

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で 生 産 性 が 高 い が ，図 1.3.11 と 同 様 に 引 張 ひ ず み を 印 加 す る 構 造 に 適 し て い な い ．

図 1.3.12. PDMS 基 板 中 に 埋 め 込 ま れ た Au ナ ノ ホ ー ル ア レ イ に よ る 周 期 制 御 ．(a) 製 作 方 法 ．(b) SEM 画 像 と 透 過 ス ペ ク ト ル シ フ ト[65]．

図 1.3.13 は PDMS 上 に 形 成 し た ナ ノ ス ク エ ア ア レ イ を 二 次 元 方 向 に 伸 縮 さ せ て い る[68]． 図 1.3.13 (a)に お い て 初 期 状 態 で は 緑 色 が 表 示 さ れ て お り ， x 方 向 に 伸 長 す る と 周 期 が 拡 大 し ，散 乱 ピ ー ク が レ ッ ド シ フ ト し て 赤 色 が 表 示 さ れ て い る ．ま た ，y 方 向 に 伸 長 す る と x 方 向 の 周 期 は 縮 小 す る た め ，ブ ル ー シ フ ト し て 紫 色 が 表 示 さ れ て い る ． 図 1.3.13 (b)の デ モ ン ス ト レ ー シ ョ ン で は ，465 nm-505 nm の 波 長 を 持 つ シ ア ン の 光 源 を 使 用 し て ， 周 期 の 異 な る 三 文 字 を 伸 縮 さ せ る こ と で 入 射 波 長 に 対 応 す る 周 期 の 文 字 の み 発 光 さ せ る こ と に 成 功 し て い る ．

(a)

(b)

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図 1.3.13. PDMS基 板 に 形 成 さ れ た Alナ ノ ス ク エ ア ア レ イ に よ る 二 次 元 方 向 の 周 期 制 御 ．(a) 散 乱 ス ペ ク ト ル シ フ ト ．(b) SEM 画 像 と 伸 縮 に 伴 う 発 光 文 字 の 変 化[68]．

(a)

(b)

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図 1.3.14 は ， プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 を 形 成 し た PDMS 基 板 を 静 電 櫛 歯 型 ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 し た 構 造 で あ る[100]． 図 1.3.14 (a)の よ う に ， 四 方 向 か ら PDMS 基 板 を 200 V の 印 加 電 圧 で 伸 長 す る こ と で Al デ ィ ス ク の 周 期 を 調 整 し て い る ． 図 1.3.14 (b)は 製 作 フ ロ ー を 示 し て お り ，Si の モ ー ル ド 内 に 電 子 ビ ー ム(electron beam，EB)リ ソ グ ラ フ ィ に よ り プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 を 製 作 後 ，PDMS を 20 µm の 膜 厚 で 形 成 し て 離 型 す る ．ア ク チ ュ エ ー タ は PDMS と は 別 に 製 作 し ，最 終 的 に 接 合 す る ．図 1.3.14 (c)に 示 さ れ た よ う に ，シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 視 認 可 能 な 程 度 の RGB を 出 力 で き て い る ．

図 1.3.14. MEMS ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 し た チ ュ ー ナ ブ ル カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) デ バ イ ス 構 造 の 上 面 図 ，(b) プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 部 分 の 拡 大 図 ， お よ び(c) 櫛 歯 の モ デ ル 図[100]．

こ れ ま で 紹 介 し て き た ほ と ん ど の 先 行 研 究 は ，エ ラ ス ト マ ー の 膜 厚 が ミ リ (b)

(a)

(c)

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ー ダ ー で あ り ， デ バ イ ス 応 用 を 考 慮 し た と き に MEMS と の 一 体 化 が 困 難 で あ る ．ま た ，数 十 µm で も MEMSア ク チ ュ エ ー タ の 駆 動 力 で 伸 長 す る こ と が 困 難 で あ る ．次 節 で は ，こ れ ら の デ バ イ ス 応 用 に 向 け た 課 題 に つ い て 述 べ る ．

1.4 MEMS 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ に 向 け た 課 題

1.3.4節 で 述 べ た バ ル ク エ ラ ス ト マ ー を 基 板 と し た デ バ イ ス を MEMS ア ク チ ュ エ ー タ に 一 体 化 す る こ と で ， 伸 縮 駆 動 と し て の フ レ キ シ ブ ル MEMS デ バ イ ス が 実 現 し ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に よ る 光 学 特 性 を リ ア ル タ イ ム に 制 御 す る こ と が で き る ．し か し な が ら ，PDMS で 製 作 さ れ た プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 は ，膜 厚 が 数 十 µm-数 mm に も な る た め ，駆 動 機 構 と な る マ イ ク ロ ア ク チ ュ エ ー タ が 大 型 化 す る か ，一 体 化 そ の も の が 困 難 に な る こ と が 予 想 さ れ る ．ア ク チ ュ エ ー タ と PDMS シ ー ト が 一 体 化 さ れ た デ バ イ ス の 先 行 研 究 で は ， こ れ ま で の と こ ろ 膜 厚 が 数 百 µm 以 上 に な り[93, 94]， 非 常 に 分 厚 い 構 造 で あ っ た ．要 因 の 一 つ と し て は ，高 分 子 ナ ノ シ ー ト を 使 用 し た デ バ イ ス 製 作 が ハ ン ド リ ン グ ，材 料 強 度 ，基 板 へ の 密 着 性 ，製 作(有 機 溶 剤 処 理 ，ウ ェ ッ ト・ド ラ イ エ ッ チ ン グ ， 微 細 加 工 等)の 面 で 高 分 子 バ ル ク 材 料 と 全 く 異 な り ， 従 来 の 製 作 プ ロ セ ス が 通 用 し な い こ と に あ る と 考 え ら れ る ． ま た ， 熱 架 橋 時 に PDMSが 収 縮 す る た め ，PDMS 薄 膜 の 自 己 支 持 性 を 保 ち な が ら 剥 離 す る こ と が 困 難 で あ る ．

基 板 シ ー ト を 伸 縮 す る 駆 動 力 は ，次 式 に 示 す よ う に シ ー ト 膜 厚 に 依 存 す る た め ， 先 行 研 究 の 厚 膜 デ バ イ ス で は 駆 動 電 圧 が 増 加 す る ．

𝐹 = 𝐸𝜖𝑡𝑤 (1.2)

E，ϵ，t， お よ び w は ， そ れ ぞ れ ヤ ン グ 率 ， ひ ず み 量 ， 基 板 シ ー ト の 厚 さ ， お よ び 伸 張 方 向 に 垂 直 な 方 向 の シ ー ト 幅 で あ る ．こ こ で ，一 般 的 な MEMS ア ク チ ュ エ ー タ の 発 生 力 に よ る 先 行 研 究 フ ィ ル タ の 駆 動 を 検 証 す る ．ア ク チ ュ エ ー タ 方 式 は ，比 較 的 発 生 力 が 大 き く シ ー ト 伸 縮 に 適 し た 静 電 型 と 圧 電 型 に

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着 目 す る と ， 発 生 力 は 最 大 で 10^{- 3} N で あ る[101]． ひ ず み 率 は ， 仮 に 先 行 研 究[66]を 参 照 す る と ，ヤ ン グ 率 6.7 MPa の PDMS (一 般 的 に 1-10 MPa)上 に 形 成 さ れ た 格 子 周 期 322 nm， 格 子 幅 151 nm の 二 次 元 ド ッ ト 構 造 に お い て ， ひ ず み 0.39 を 印 加 し た と き に 240 nm の ス ペ ク ト ル シ フ ト が 得 ら れ て い る ．こ れ よ り ，可 視 光 帯 域 を 400 nm-700 nm と す る と 最 大 レ ン ジ は 300 nm と な り ， こ の と き に 予 想 さ れ る ひ ず み は 0.49 と な る ．画 素 幅 を 40 µmと す る と ，(1.2) 式 よ り 駆 動 可 能 な 最 大 シ ー ト 膜 厚 は 以 下 の 通 り で あ る ．

𝑡 = 𝐹

𝐸𝜖𝑤= 10⁻³

6.7 × 10⁶ × 0.49 × 40 × 10⁻⁶ ≈ 7.6 µ𝑚 (1.3)

概 算 結 果 よ り ， ア ク チ ュ エ ー タ で 駆 動 す る た め に は 7.6 µm 以 下 の 膜 厚 が 要 求 さ れ ， 先 行 研 究 の フ ィ ル タ で は 困 難 で あ る こ と が 分 か る ．

こ れ ら の 課 題 を 改 善 す る た め に ，ス チ レ ン 系 の 熱 可 塑 性 エ ラ ス ト マ ー の 一 種 で あ る poly(styrene-butadiene-styrene) (SBS)ト リ ブ ロ ッ ク 共 重 合 体 を ，グ ラ ビ ア コ ー テ ィ ン グ 法 で ナ ノ 膜 厚 に 調 製 し た SBS ナ ノ シ ー ト に 着 目 し た[102, 103]．SBSナ ノ シ ー ト の 詳 細 お よ び 光 学・機 械 特 性 の 評 価 に つ い て は 第 3 章 で 述 べ る ．SBS ナ ノ シ ー ト は 数 百 nm の 膜 厚 で 数 十%以 上 の 弾 性 変 形 領 域 を 示 す た め ，(1.2)式 か ら 予 想 さ れ る よ う に 低 消 費 電 力 で の シ ー ト 伸 縮 駆 動 が 可 能 に な る ．ま た ，自 立 ナ ノ シ ー ト と し て 扱 う こ と が で き る た め ，簡 便 に 自 己 支 持 膜 が キ ャ ビ テ ィ を 持 つ 基 板 に 固 定 さ れ た 中 空 構 造 を 形 成 で き る ．ヤ ン グ 率 45 MPa の SBSナ ノ シ ー ト を 用 い る 場 合 ，(1.3)式 よ り ア ク チ ュ エ ー タ で 駆 動 可 能 な 膜 厚 は 以 下 の 通 り で あ る ．

𝑡 = 𝐹

𝐸𝜖𝑤= 10⁻³

45 × 10⁶ × 0.49 × 40 × 10⁻⁶ ≈ 1.1 µ𝑚 (1.4)

こ れ よ り ， 本 研 究 で は 最 終 的 に 膜 厚 1.1 µm以 下 の SBS ナ ノ シ ー ト を 用 い て 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル を 製 作 す る 必 要 が あ る ．