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Fig. 1. AFM image of fabricated slit array.

Λ=500 nm

5 µm 角

機器利用

F 阪大 H20-009

表面プラズモン増強効果を用いた光電変換素子に関する研究

Study of photovoltaic device based on enhancement effect of surface plasmon

村田 浩二、尾島 正禎、堀 哲郎、小川 康宏、久保 等、藤井 彰彦、尾崎 雅則 Koji Murata, Masayoshi Ojima, Tetsuro Hori, Yasuhiro Ogawa, Hitoshi Kubo, Akihiko Fujii

and Masanori Ozaki 大阪大学大学院工学研究科

Graduate School of Osaka University

集束イオンビーム(Focused Ion Beam : FIB)加工により金属膜に任意の微細周期構造を作製することで

グレーティングカップリング法による表面プラズモンの励起を確認した。また、スリットアレイ構造

を作製することで、選択的な波長の光を増強させる異常透過光現象を発生させようと試みた。 We have made sure that surface plasmon is excited by the grating coupling method with fabrication of arbitrary sub-wavelength-scale periodic structures on a metal using a FIB processing. In addition, we have tried to generate the phenomenon of extraordinary transmission light enhanced for a selective wavelength by fabricated slit arrays structure.

背景と研究目的： 表面プラズモン(Surface Plasmon : SP)とは、金

属膜表面上の電子のプラズマ振動と光がカップ

リングしたもので、金や銀などの金属膜の表面

を伝搬する電子粗密波である。SP の励起方法の

一つであるグレーティングカップリング法はプ

リズムを使用しないためデバイスの小型化が期

待されており、任意の微細周期構造で表面増強

効果が実現できる。本研究では、異常透過光特

性の特徴を活かして、狭帯域な波長フィルタや

光電変換素子などへの応用を目的としている。 実験内容および結果：

ガラス基板上に電子ビーム(EB)蒸着法、およ

び抵抗加熱法で金属膜を約 150 nm 蒸着した後、

集束イオンビーム(FIB : SII 製、SMI2050)を用い

て、グレーティング構造を作製した。図 1 に周

期約 500 nm の試料構造 Au(5 nm, 抵抗加熱

法)/Au(100 nm, EB 蒸着法)/ガラス基板の AFM像を示す。抵抗加熱法による Au を数 nm 程度堆

積させるおもな目的は、試料表面のラフネスを

軽減することにある。さらに EB 蒸着法による

金属膜は比較的掘れやすいことがわかったため、

表面に抵抗加熱法による Au を蒸着させること

より最適な金属膜にした。これによって FIB に

よる加工表面を比較的綺麗にできることが確か

められた。 図 2 に作製したスリットアレイ構造(図 1)の

透過スペクトルを示す。SP とカップリングをお

こすp偏向で光を入射した際に波長700 nm付近

で透過率が約 50%に達していることがわかる。

入射光面積に対してスリット面積の占める割合

を計算することで透過光の増強度を調べること

が可能となった。 図 3 は、比較的大面積な周期構造作製方法で

あるパルス干渉露光法(Nd:YAG Laser, THG 355 nm)を用いて作製した試料について用いた回折

2

Fig. 2. Transmission spectra of the slit grating for s- and p-polrization s of incident light

500 600 700 8000

0.5

1

wavelength[nm]

Tran

smita

nce

(arb

. uni

ts)

p−pol.

s−pol.

測定系である。光源には白色光のタングステン

ランプを用いており、2 枚の平凸レンズで平

行・集光を行い、サンプルステージ上に設置さ

れた試料に特定の偏向のみを照射できるよう

polarizer を設置し回折測定系を構成している。 図 4 では試料構造 Ag(100 nm)/OFPR/ガラス基

板に対する反射スペクトルの波長依存性を示し

ている。ポジ型のレジスト材料である OFPR を

用いることで試料表面は Sinusoidal grating 構造

30 deg.まで 10 deg.ずつ変化させることによって

反射率ディップがほぼ等間隔で波長シフトして

いることがわかる。また、0 deg.での反射率ディ

ップを基準として入射角度を大きくするにつれ、

ディップのスプリットが観察できるがこれはグ

レーティングの回折次数 n (=1,-1)に対応する SP励起によるものであることが理論シミュレーシ

ョンとの一致から確認できる。

今後の課題： 現在、回折測定系(図 3)によるスペクトル測定

によって図 4 に示す入射角度依存性などを調べ

ているが、今後、この回折系に顕微鏡を組み込

むことによって FIB で作製したミクロンオーダ

ーの試料に対しても特性評価を行っていきたい

と考えている。さらにスリットアレイなどの微

細周期構造を利用して液晶セルを作製し、SP 吸

収波長チューニングを試みる予定である。また、

パルス干渉露光法によって作製した周期構造上

に単スリットや単ホールなどの欠陥を FIB 加工

により導入することで、その形状や大きさの違

いによる異常透過光特性の比較を行っていく予

定であり、引き続き FIB を利用した実験を計画

したい。 参考文献 1) H. F. Ghaemi, Tineko, and D. E. Grupp, Phys. Rev. B 58, 6779 (1998) 2) K. J. Klein Koerkamp et al., Phys. Rev. Lett. 92, 183901(2004) 3) D. Z. Lin, C. K. Chang et al., Opt. Exp. 14, 3503 (2006)

s-pol(0deg.)

Fig. 3. Experimental setup for diffraction spectrum measurement.

Fig. 4. Reflection spectra of grating structure as a function of incindent angles.

400 600 8000

0.5

1

Wavelength [nm]

Ref

lect

ance

(arb

. uni

ts)

θ=0deg.θ=10deg.θ=20deg.θ=30deg.

a=390nm

p−pol.