JP2015068663A - Optical element, analysis device, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】ラマンシフトが大きい場合でも、入射光及びラマン散乱光を十分に増強することのできる光学素子を提供する。【解決手段】本発明に係る光学素子は、金属層と、前記金属層の上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層の上に設けられ、金属粒子が配列した金属粒子層と、を含み、前記金属粒子層は、前記金属粒子が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列を有し、当該金属粒子列は、前記第1方向と交差する第2方向に、前記ピッチP1よりも大きいピッチP2で複数並び、前記誘電体層の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たし、前記第1方向と同じ方向の直線偏光光であって、波長λiの入射光が照射される。[ここで、d2は、mdλi/2nd(md=1、ndは前記誘電体層の屈折率を表す。)を表し、d1は、波長λiにおける前記金属粒子層の誘電率を、Maxwell−Garnettの式で得られる実効誘電率で与えた際に、前記光学素子の前記金属層、前記誘電体層及び前記金属粒子層を含む構造において生じる2次の干渉によって強め合う条件を満たす前記誘電体層の厚さであって、d2<d1を満たす。]【選択図】なしAn optical element capable of sufficiently enhancing incident light and Raman scattered light even when the Raman shift is large is provided. An optical element according to the present invention includes a metal layer, a dielectric layer provided on the metal layer, a metal particle layer provided on the dielectric layer and arranged with metal particles, The metal particle layer has a metal particle row in which a plurality of the metal particles are arranged at a pitch P1 in the first direction, and the metal particle row is in the second direction intersecting the first direction, A plurality of the dielectric layers are arranged at a pitch P2 larger than the pitch P1, and the thickness d of the dielectric layer satisfies the relationship d2 <d <d1, and is linearly polarized light in the same direction as the first direction, and is incident on the wavelength λi. Light is irradiated. [Where d2 represents mdλi / 2nd (md = 1, nd represents the refractive index of the dielectric layer), and d1 represents the dielectric constant of the metal particle layer at the wavelength λi according to Maxwell-Garnett's. Of the dielectric layer satisfying the conditions of strengthening by secondary interference generated in the structure including the metal layer, the dielectric layer, and the metal particle layer of the optical element when given by the effective dielectric constant obtained by the equation The thickness satisfies d2 <d1. ] [Selection figure] None
Description
本発明は、光学素子、分析装置、及び電子機器に関する。 The present invention relates to an optical element, an analyzer, and an electronic apparatus.
医療・健康分野をはじめ、環境、食品、公安等の分野において、微量の物質を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するセンシング技術が求められている。センシングの対象となる微量の物質は非常に多岐にわたっており、例えば、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物がセンシングの対象となる。従来、微量物質の検知は、サンプリング、分析、解析を経て行われているが、専用の装置が必要で、検査作業者の熟練を要するため、その場での分析は困難な場合が多かった。そのため、検査結果を得るまでに長期間(数日以上)を要している。センシング技術において、迅速かつ簡便であることの要求は非常に強く、その要求に応えることのできるセンサーの開発が望まれている。例えば、空港等における、嘔吐、下痢、発熱を呈する患者の診断は、感染拡大を防ぐためにも喫緊を要する。また、感染症検査は、細菌かウィルスかで処置が異なり、更に感染経路を絶つためにも細菌やウィルスの種類を迅速に同定することが重要である。 Sensing techniques that detect minute amounts of substances with high sensitivity, high accuracy, speed, and simplicity are required in fields such as the medical and health fields, the environment, food, and public security. There are a wide variety of substances that are subject to sensing. For example, biologically related substances such as bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, various antigens and antibodies, and various compounds including inorganic molecules, organic molecules, and polymers. It becomes a target of sensing. Conventionally, detection of trace substances has been performed through sampling, analysis, and analysis. However, since a dedicated device is required and skill of an inspection operator is required, on-site analysis is often difficult. Therefore, it takes a long time (several days or more) to obtain a test result. In the sensing technology, the demand for quick and simple is very strong, and the development of a sensor that can meet the demand is desired. For example, diagnosis of a patient who exhibits vomiting, diarrhea, or fever at an airport or the like is urgent in order to prevent the spread of infection. In addition, in the infectious disease test, treatment is different depending on whether it is a bacterium or a virus, and it is important to quickly identify the type of the bacterium or virus in order to cut off the infection route.
このような要請から、近年、電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を用いたセンサーに対する関心が高まっている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたSPRを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。また、表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)を用い、センサー部位に付着した物質のラマン散乱を検出し付着物質の同定を行うなどの方法も検討されている。 In response to these demands, various types of sensors have been studied in recent years, including electrochemical techniques. However, surface plasmon resonance (because of the possibility of integration, low cost, and choice of measurement environment) Interest in sensors using SPR (Surface Plasma Resonance) is increasing. For example, there is known one that detects the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction, using SPR generated on a metal thin film provided on the surface of a total reflection prism. In addition, a method of detecting the Raman scattering of a substance attached to a sensor site by using surface enhanced Raman scattering (SERS) and identifying the attached substance has been studied.
このようなセンサーの構造として、例えば、非特許文献1には、Gap type surface plasmon polariton(GSPP)モデルが示す局在型プラズモン(LSP:Localized Surface Plasmon)に加え、XY方向(基板面に平行な方向)に伝搬型プラズモン(PSP:Propagated SurfacePlasmon)を起こすハイブリッドモードを実現する構造が提案されている。 As a structure of such a sensor, for example, in Non-Patent Document 1, in addition to the localized plasmon (LSP: Localized Surface Plasmon) indicated by the Gap type surface plasma polaron (GSPP) model, the XY direction (parallel to the substrate surface) is used. A structure for realizing a hybrid mode in which a propagating surface plasmon (PSP) is generated in the direction) has been proposed.
非特許文献2には、ハイブリッドモードをSERSに利用した例が示されている。SERS効果は、入射光の波長における電場増強度をEi、ラマン散乱後の波長における電場増強度をEsとし、Ei 2・Es 2に比例することが知られている。EiとEsは同一のピークで増強しても、異なるピークで増強してもよく、ハイブリッドモードの2ピークを利用してEiとEsをそれぞれ異なるピークで増強した例が記載されている。 Non-Patent Document 2 shows an example in which the hybrid mode is used for SERS. SERS effect, E the electric field enhancement at the wavelength of the incident light i, the degree of electric field enhancement at the wavelength of after Raman scattering and E s, it is known to be proportional to E i 2 · E s 2. E i and E s may be enhanced at the same peak or at different peaks, and examples in which E i and E s are enhanced at different peaks using two peaks in the hybrid mode are described. Yes.
また、特許文献1には、光散乱面である第1の反射体と、透光体と、反射性を有する第2の反射体と、を順次備えて光共振体を構成し、当該光共振体における共振による光吸収によって増強された電場を利用したラマン分光用デバイスが開示されている。同文献には、光共振体で多重干渉が起こり、光共振体の電場が増強され、表面増強ラマン効果を得ることができる旨の記載がある。また、特許文献2には、第1の反射体と、誘電体と、第2の反射体を順次備えた共振器構造が記載されている。 Patent Document 1 discloses that an optical resonator is configured by sequentially including a first reflector that is a light scattering surface, a translucent body, and a second reflector having reflectivity. A device for Raman spectroscopy using an electric field enhanced by light absorption by resonance in a body is disclosed. This document describes that multiple interference occurs in the optical resonator, the electric field of the optical resonator is enhanced, and a surface enhanced Raman effect can be obtained. Patent Document 2 describes a resonator structure including a first reflector, a dielectric, and a second reflector in order.
しかしながら、ハイブリッドモードを実現する構造の場合には、非特許文献1に記載されるように、LSPとPSPの共鳴による増強効果を利用するので、LSPとPSPの波長差が大きい場合は増強効果が低い。そのため、広い帯域全体を高い増強度となるように設計することは難しい。 However, in the case of a structure that realizes the hybrid mode, as described in Non-Patent Document 1, since the enhancement effect due to the resonance between the LSP and the PSP is used, the enhancement effect is obtained when the wavelength difference between the LSP and the PSP is large. Low. For this reason, it is difficult to design the entire wide band so as to provide high enhancement.
また、上述の特許文献1に開示されたデバイスの光散乱面(センサー部分)に形成される金属粒子等の構造は、いずれも金属が高密度に配置された構造となっている(同文献の図2、図4参照)。このような高密度な構造(金属の占める割合が大きい構造)である場合には、薄膜干渉(同文献の段落0025の式(1)参照)を考慮することによって、光共振体の透光体の厚さや屈折率を設計することができる。特許文献1の薄膜干渉によって、強められる波長は、とびとびの波長になる。そのため、従来技術では、強め合う波長のそれぞれの位置を調整することは難しい。 In addition, the structure of metal particles and the like formed on the light scattering surface (sensor portion) of the device disclosed in Patent Document 1 described above is a structure in which metals are arranged at high density (see the same document). (See FIGS. 2 and 4). In the case of such a high-density structure (a structure in which the proportion of metal is large), a light-transmitting body of an optical resonator can be obtained by considering thin-film interference (see equation (1) in paragraph 0025 of the same document). The thickness and refractive index can be designed. The wavelength strengthened by the thin film interference of Patent Document 1 becomes a discrete wavelength. For this reason, it is difficult to adjust the positions of the reinforcing wavelengths in the prior art.
また、特許文献2の共振器構造では、局在表面プラズモン共鳴と共振器のモードがカップリングすると1つのカップリングモードしか出現しないと記載されている。したがって、入射光及び散乱光の波数の差が大きいと、入射光及び散乱光の両方の帯域に対して高い増強度をもたらす光学素子を設計することは薄膜干渉によっては難しい。 Further, in the resonator structure of Patent Document 2, it is described that only one coupling mode appears when the localized surface plasmon resonance and the mode of the resonator are coupled. Therefore, if the difference in wave number between incident light and scattered light is large, it is difficult to design an optical element that provides high enhancement for both bands of incident light and scattered light due to thin film interference.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、その幾つかの態様に係る目的の1つは、ラマンシフトが大きい場合でも、入射光及びラマン散乱光を十分に増強することのできる光学素子、分析装置、又は電子機器を提供することにある。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and one of the objects according to some aspects thereof is to reduce incident light and Raman scattered light even when the Raman shift is large. An object of the present invention is to provide an optical element, an analysis apparatus, or an electronic apparatus that can be sufficiently enhanced.
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.
本発明に係る光学素子の一態様は、金属層と、前記金属層の上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層の上に設けられ、金属粒子が配列した金属粒子層と、を含み、前記金属粒子層は、前記金属粒子が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列を有し、当該金属粒子列は、前記第1方向と交差する第2方向に、前記ピッチP1よりも大きいピッチP2で複数並び、前記誘電体層の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たし、前記第1方向と同じ方向の直線偏光光であって、波長λiの入射光が照射される。
[ここで、d2は、mdλi/2nd(md=1、ndは前記誘電体層の屈折率を表す。)を表し、d1は、波長λiにおける前記金属粒子層の誘電率を、Maxwell−Garnettの式で得られる実効誘電率で与えた際に、前記光学素子の前記金属層、前記誘電体層及び前記金属粒子層を含む構造において生じる2次の干渉によって強め合う条件を満たす前記誘電体層の厚さであって、d2<d1を満たす。]
このような光学素子によれば、第1方向にLSPが励起され、第2方向にPSPが励起
される。そして、入射光の偏光方向が第1方向であるため、ハイブリッドモード(GSPP)よりもホットスポット密度が高く、素子全体の増強度が強い。また、このような光学素子によれば、増強度プロファイル又は反射率の波長依存性において、2つのピークの位置をそれぞれ調節できるため、大きいラマンシフトを示す試料を測定する場合であっても、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
One aspect of the optical element according to the present invention includes a metal layer, a dielectric layer provided on the metal layer, and a metal particle layer provided on the dielectric layer and arranged with metal particles. The metal particle layer has a metal particle array in which a plurality of the metal particles are arranged at a pitch P1 in a first direction, and the metal particle array has the pitch in a second direction intersecting the first direction. A plurality of the dielectric layers are arranged at a pitch P2 larger than P1, and the thickness d of the dielectric layer satisfies the relationship d2 <d <d1, and is linearly polarized light in the same direction as the first direction, and is incident on the wavelength λ i Light is irradiated.
[Wherein, d2 is, m d λ i / 2n d (m d = 1, n d represents. A refractive index of the dielectric layer) represents, d1, the dielectric of the metal particle layer at the wavelength lambda i When the ratio is given by the effective dielectric constant obtained by the Maxwell-Garnett equation, a condition that reinforces by secondary interference generated in the structure including the metal layer, the dielectric layer, and the metal particle layer of the optical element And the thickness of the dielectric layer satisfying d2 <d1. ]
According to such an optical element, the LSP is excited in the first direction and the PSP is excited in the second direction. Since the polarization direction of the incident light is the first direction, the hot spot density is higher than that of the hybrid mode (GSPP), and the enhancement of the entire element is strong. In addition, according to such an optical element, the position of the two peaks can be adjusted in the wavelength dependence of the enhancement profile or reflectance, so that even when measuring a sample exhibiting a large Raman shift, Both light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
本発明に係る光学素子の一態様は、金属層と、前記金属層の上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層の上に設けられ、金属粒子が配列した金属粒子層と、を含み、前記金属粒子層は、前記金属粒子が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列を有し、当該金属粒子列は、前記第1方向と交差する第2方向に、前記ピッチP1よりも大きいピッチP2で複数並び、前記誘電体層の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たし、前記第1方向と同じ方向の直線偏光光であって、波長λiの入射光が照射される、光学素子。
[ここで、d2は、mdλs/2nd(md=1、λsは波長λiの入射光を照射した際のラマン散乱波長、ndは前記誘電体層の屈折率を表す。)を表し、d1は、波長λiにおける前記金属粒子層の誘電率を、Maxwell−Garnettの式で得られる実効誘電率で与えた際に、前記光学素子の前記金属層、前記誘電体層及び前記金属粒子層を含む構造において生じる2次の干渉によって強め合う条件を満たす前記誘電体層の厚さであって、d2<d1を満たす。]
このような光学素子によれば、第1方向にLSPが励起され、第2方向にPSPが励起される。そして、入射光の偏光方向が第1方向であるため、ハイブリッドモード(GSPP)よりもホットスポット密度が高く、素子全体の増強度が強い。また、このような光学素子によれば、増強度プロファイル又は反射率の波長依存性において、2つのピークの位置をそれぞれ調節できるため、大きいラマンシフトを示す試料を測定する場合であっても、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
One aspect of the optical element according to the present invention includes a metal layer, a dielectric layer provided on the metal layer, and a metal particle layer provided on the dielectric layer and arranged with metal particles. The metal particle layer has a metal particle array in which a plurality of the metal particles are arranged at a pitch P1 in a first direction, and the metal particle array has the pitch in a second direction intersecting the first direction. A plurality of the dielectric layers are arranged at a pitch P2 larger than P1, and the thickness d of the dielectric layer satisfies the relationship d2 <d <d1, and is linearly polarized light in the same direction as the first direction, and is incident on the wavelength λ i An optical element irradiated with light.
[Wherein, d2 is, m d λ s / 2n d (m d = 1, λ s is the Raman scattering wavelength when irradiated with incident light of wavelength lambda i, the n d represents the refractive index of the dielectric layer ), And d1 represents the metal layer and the dielectric layer of the optical element when the dielectric constant of the metal particle layer at the wavelength λ i is given by the effective dielectric constant obtained by the Maxwell-Garnett equation. And a thickness of the dielectric layer that satisfies a strengthening condition by secondary interference generated in the structure including the metal particle layer, and satisfies d2 <d1. ]
According to such an optical element, the LSP is excited in the first direction and the PSP is excited in the second direction. Since the polarization direction of the incident light is the first direction, the hot spot density is higher than that of the hybrid mode (GSPP), and the enhancement of the entire element is strong. In addition, according to such an optical element, the position of the two peaks can be adjusted in the wavelength dependence of the enhancement profile or reflectance, so that even when measuring a sample exhibiting a large Raman shift, Both light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
本発明に係る光学素子において、前記ラマン散乱波長λs及び前記入射光の波長λiは、2500cm-1≦(1/λi−1/λs)<3500cm-1の関係を満たしてもよい。 In the optical element according to the present invention, the Raman scattering wavelength λ s and the incident light wavelength λ i may satisfy a relationship of 2500 cm −1 ≦ (1 / λ i −1 / λ s ) <3500 cm −1. .
本発明に係る光学素子において、前記誘電体層の厚さdは、60nm以上であってもよい。
このような光学素子によれば、400nm以上の波長λiの入射光を用いて、CH2基、CH3基等の、2500cm-1以上の大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
In the optical element according to the present invention, the thickness d of the dielectric layer may be 60 nm or more.
According to such an optical element, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift of 2500 cm −1 or more, such as a CH 2 group or a CH 3 group, using incident light having a wavelength λ i of 400 nm or more, the incident light is incident. Both light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
本発明に係る光学素子において、前記誘電体層の厚さdは、145nm以上であってもよい。
このような光学素子によれば、600nm以上の波長λiの入射光を用いて、CH2基、CH3基等の、2500cm-1以上の大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
In the optical element according to the present invention, the thickness d of the dielectric layer may be 145 nm or more.
According to such an optical element, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift of 2500 cm −1 or more, such as a CH 2 group or a CH 3 group, using incident light having a wavelength λ i of 600 nm or more, the incident light is incident. Both light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
本発明に係る光学素子において、前記誘電体層の材質は、SiO2であってもよい。
このような光学素子によれば、400nm以上の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
In the optical element according to the present invention, the material of the dielectric layer may be SiO 2 .
According to such an optical element, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift using incident light having a wavelength λ i of 400 nm or more, both incident light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced. .
本発明に係る光学素子において、前記ピッチP1は、6nm<P1<535nmを満たしてもよい。
このような光学素子によれば、1100nm未満の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
In the optical element according to the present invention, the pitch P1 may satisfy 6 nm <P1 <535 nm.
According to such an optical element, it is possible to sufficiently enhance both incident light and Raman scattered light when measuring a sample exhibiting a large Raman shift using incident light having a wavelength λ i of less than 1100 nm. .
本発明に係る光学素子において、前記金属層の材質は、Auであってもよく、かつ、前記ピッチP2は、480nm<P2<1840nmを満たしてもよい。
このような光学素子によれば、600nm以上1100nm未満の波長λiの入射光を用いて、ラマンシフトが2500cm-1以上3500cm-1未満の構造を有する試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
In the optical element according to the present invention, the material of the metal layer may be Au, and the pitch P2 may satisfy 480 nm <P2 <1840 nm.
According to such an optical element, when a sample having a structure with a Raman shift of 2500 cm −1 or more and less than 3500 cm −1 is measured using incident light having a wavelength λ i of 600 nm or more and less than 1100 nm, incident light and Raman are measured. Both of the scattered light can be sufficiently enhanced.
本発明に係る光学素子において、前記金属粒子の材質は、Au又はAgであってもよい。
このような光学素子は、より強いLSP共鳴を示すため、素子全体の増強度が強い。
In the optical element according to the present invention, the material of the metal particles may be Au or Ag.
Since such an optical element exhibits stronger LSP resonance, the enhancement of the entire element is strong.
本発明に係る光学素子において、前記入射光の波長λiは、630nm以上1070nm以下であってもよい。
このような光学素子によれば、630nm以上1070nm以下の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。
In the optical element according to the present invention, the wavelength λ i of the incident light may be not less than 630 nm and not more than 1070 nm.
According to such an optical element, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift using incident light having a wavelength λ i of 630 nm or more and 1070 nm or less, both incident light and Raman scattered light are sufficiently enhanced. Can do.
本発明に係る分析装置の一態様は、上述の光学素子と、前記光学素子に前記入射光を照射する光源と、前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、を備える。
このような分析装置によれば、ホットスポット密度が高く、素子全体の増強度が強い光学素子を用い、また、大きいラマンシフトを示す試料であっても入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができ、多様な物質を高感度に定性分析及び/又は定量分析することができる。
One aspect of the analysis apparatus according to the present invention includes the above-described optical element, a light source that irradiates the optical element with the incident light, and a detector that detects light emitted from the optical element.
According to such an analyzer, an optical element having a high hot spot density and a strong enhancement of the entire element is used, and even a sample exhibiting a large Raman shift sufficiently absorbs both incident light and Raman scattered light. Therefore, it is possible to qualitatively analyze and / or quantitatively analyze various substances with high sensitivity.
本発明に係る電子機器の一態様は、上述の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備える。
このような電子機器によれば、ホットスポット密度が高く、素子全体の増強度が強い光学素子を用い、また、大きいラマンシフトを示す試料であっても入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができるため、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
One aspect of the electronic device according to the present invention includes the above-described analyzer, a calculation unit that calculates health and medical information based on detection information from the detector, a storage unit that stores the health and medical information, and the health A display unit for displaying medical information.
According to such an electronic device, an optical element having a high hot spot density and a high enhancement factor of the entire element is used, and even a sample exhibiting a large Raman shift sufficiently absorbs both incident light and Raman scattered light. Since it can be enhanced, detection of trace substances can be easily performed, and highly accurate health care information can be provided.
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。 Several embodiments of the present invention will be described below. Embodiment described below demonstrates an example of this invention. The present invention is not limited to the following embodiments, and includes various modified embodiments that are implemented within a range that does not change the gist of the present invention. Note that not all of the configurations described below are essential configurations of the present invention.
1.光学素子
図1は、本実施形態の光学素子100を模式的に示す斜視図である。図2は、本実施形態の光学素子100を平面的に見た(誘電体層の厚さ方向から見た)模式図である。図3及び図4は、本実施形態の光学素子100の断面の模式図である。図5は、本実施形態の光学素子100を誘電体層の厚さ方向から見た模式図である。
本実施形態の光学素子100は、金属層10と、金属層10の上に設けられた誘電体層20と、誘電体層20の上に設けられた金属粒子層30と、を含む。
1. Optical Element FIG. 1 is a perspective view schematically showing an optical element 100 of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic view of the optical element 100 according to the present embodiment viewed in plan (viewed from the thickness direction of the dielectric layer). 3 and 4 are schematic views of a cross section of the optical element 100 of the present embodiment. FIG. 5 is a schematic view of the optical element 100 of this embodiment as viewed from the thickness direction of the dielectric layer.
The optical element 100 according to the present embodiment includes a metal layer 10, a dielectric layer 20 provided on the metal layer 10, and a metal particle layer 30 provided on the dielectric layer 20.
1.1.金属層
金属層10は、光を透過しない金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えば、厚板状であってもよいし、フィルム、層又は膜の形状を有してもよい。金属層10は、例えば基板1の上に設けられてもよい。この場合の基板1としては、特に限定されないが、金属層10に励起される伝搬型プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。基板1としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板1の金属層10が設けられる面の形状も特に限定されない。金属層10の表面に規則構造を形成する場合にはその規則構造に対応する表面を有してもよいし、金属層10の表面を平面とする場合には平面としてもよい。図1〜図5の例では、基板1の表面(平面)の上に金属層10が設けられている。
1.1. Metal Layer The metal layer 10 is not particularly limited as long as it provides a metal surface that does not transmit light. For example, the metal layer 10 may have a plate shape or a film, layer, or film shape. Also good. The metal layer 10 may be provided on the substrate 1, for example. The substrate 1 in this case is not particularly limited, but a substrate that does not easily affect the propagation plasmon excited by the metal layer 10 is preferable. Examples of the substrate 1 include a glass substrate, a silicon substrate, and a resin substrate. The shape of the surface on which the metal layer 10 of the substrate 1 is provided is not particularly limited. When a regular structure is formed on the surface of the metal layer 10, it may have a surface corresponding to the regular structure, and when the surface of the metal layer 10 is a plane, it may be a plane. In the example of FIGS. 1 to 5, the metal layer 10 is provided on the surface (plane) of the substrate 1.
ここで、平面との表現を用いているが、係る表現は、表面が、わずかの凹凸もなく平坦(スムース)な数学的に厳密な平面を指すものではない。例えば、表面には、構成する原子に起因する凹凸や、構成する物質の二次的な構造(結晶、粒塊、粒界等)に起因する凹凸などが存在する場合が有り、微視的にみれば厳密な平面ではない場合がある。しかし、そのような場合でも、より巨視的な視点でみれば、これらの凹凸は目立たなくなり、表面を平面と称しても差し支えない程度に観測される。したがって、本明細書では、このようなより巨視的な視点でみた場合に平面と認識できれば、これを平面と称することとする。 Here, the expression “plane” is used, but this expression does not indicate a mathematically exact plane whose surface is flat (smooth) without slight unevenness. For example, the surface may have unevenness due to constituent atoms and unevenness due to secondary structure of the constituent substances (crystals, grain clumps, grain boundaries, etc.). If it sees, it may not be an exact plane. However, even in such a case, when viewed from a more macroscopic viewpoint, these irregularities become inconspicuous and are observed to the extent that the surface may be referred to as a plane. Therefore, in this specification, if it can be recognized as a plane when viewed from such a macroscopic viewpoint, this is referred to as a plane.
また、本実施形態では、金属層10の厚さ方向は、後述の誘電体層20の厚さ方向と一致している。本明細書では、金属層10の厚さ方向又は誘電体層20の厚さ方向を、後述する金属粒子層30や金属粒子40について述べる場合において、厚さ方向、高さ方向等と称する場合がある。また、例えば、金属層10が基板1の表面に設けられる場合には、基板1の表面の法線方向を厚さ方向又は高さ方向と称する場合がある。 In the present embodiment, the thickness direction of the metal layer 10 coincides with the thickness direction of the dielectric layer 20 described later. In this specification, the thickness direction of the metal layer 10 or the thickness direction of the dielectric layer 20 is sometimes referred to as a thickness direction, a height direction, or the like when describing the metal particle layer 30 or the metal particles 40 described later. is there. For example, when the metal layer 10 is provided on the surface of the substrate 1, the normal direction of the surface of the substrate 1 may be referred to as a thickness direction or a height direction.
金属層10は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層10が基板1の上に設けられる場合には、基板1の表面の全面に設けられてもよいし基板1の表面の一部に設けられてもよい。金属層10の厚さは、金属層10に伝搬型プラズモンが励起され得るかぎり特に限定されず、例えば、10nm以上1mm以下、好ましくは20nm以上100μm以下、より好ましくは30nm以上1μm以下とすることができる。 The metal layer 10 can be formed, for example, by a technique such as vapor deposition, sputtering, casting, or machining. When the metal layer 10 is provided on the substrate 1, it may be provided on the entire surface of the substrate 1 or may be provided on a part of the surface of the substrate 1. The thickness of the metal layer 10 is not particularly limited as long as propagating plasmons can be excited in the metal layer 10. For example, the thickness is 10 nm to 1 mm, preferably 20 nm to 100 μm, more preferably 30 nm to 1 μm. it can.
金属層10は、入射光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在する金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し(負の誘電率を有し)、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。可視光
領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。これらのうち、金属層10の材質としては、金、銀、銅、アルミニウムであることがより好ましい。また、金属層10の表面(厚さ方向の端面)は、特定の結晶面であってもなくてもよい。
The metal layer 10 is a metal having an electric field in which an electric field given by incident light and a polarization induced by the electric field vibrate in opposite phases, that is, when a specific electric field is given, The real part has a negative value (has a negative dielectric constant), and the imaginary part is made of a metal that can have a dielectric constant smaller than the absolute value of the dielectric constant of the real part. Examples of metals that can have such a dielectric constant in the visible light region include gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof. Of these, the material of the metal layer 10 is more preferably gold, silver, copper, or aluminum. Further, the surface (end surface in the thickness direction) of the metal layer 10 may or may not be a specific crystal plane.
金属層10は、本実施形態の光学素子100において伝搬型プラズモンを発生させる機能を有している。金属層10に後述する条件で光を入射することにより、金属層10の表面(厚さ方向の端面)近傍に伝搬型プラズモンが発生する。また、本明細書では、金属層10の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン(SPP:Surface Plasmon Plariton)と称する。金属層10に発生した伝搬型プラズモンは、後述の金属粒子40に発生する局在型プラズモンと、一定の条件下で相互作用(ハイブリッド)することができる。 The metal layer 10 has a function of generating propagating plasmons in the optical element 100 of the present embodiment. Propagation-type plasmons are generated near the surface of the metal layer 10 (end surface in the thickness direction) when light is incident on the metal layer 10 under the conditions described later. Further, in this specification, the quantum of vibration in which the vibration of electric charges near the surface of the metal layer 10 and the electromagnetic wave are combined is referred to as a surface plasmon polariton (SPP). Propagation-type plasmons generated in the metal layer 10 can interact (hybridize) with localized plasmons generated in the metal particles 40 described later under certain conditions.
1.2.誘電体層
本実施形態の光学素子100は、金属層10と金属粒子層30(金属粒子40)とを隔てるための誘電体層20を有する。誘電体層20は、図1、3、4に示すように、金属層10の上に設けられる。これにより、金属層10と金属粒子層30の金属粒子40とを隔てることができる。誘電体層20は、フィルム、層又は膜の形状を有することができる。
1.2. Dielectric Layer The optical element 100 of the present embodiment has a dielectric layer 20 for separating the metal layer 10 and the metal particle layer 30 (metal particles 40). The dielectric layer 20 is provided on the metal layer 10 as shown in FIGS. Thereby, the metal layer 10 and the metal particle 40 of the metal particle layer 30 can be separated. The dielectric layer 20 can have the shape of a film, layer or film.
本明細書において、例えば、「部材Aの上に部材Bが設けられる」との表現は、部材Aの上に接して部材Bが設けられる場合と、部材Aの上に他の部材又は空間を介して部材Bが配置される場合と、を含む意味である。 In this specification, for example, the expression “the member B is provided on the member A” means that the member B is provided in contact with the member A and other members or spaces are provided on the member A. And the case where the member B is disposed.
誘電体層20は、例えば、蒸着、スパッタ、CVD、各種コーティング等の手法により形成することができる。誘電体層20は、金属層10の表面の全面に設けられてもよいし金属層10の表面の一部に設けられてもよい。 The dielectric layer 20 can be formed by, for example, techniques such as vapor deposition, sputtering, CVD, and various coatings. The dielectric layer 20 may be provided on the entire surface of the metal layer 10 or may be provided on a part of the surface of the metal layer 10.
誘電体層20は、正の誘電率を有すればよく、例えば、SiO2、Al2O3、TiO2、高分子、ITO(Indium Tin Oxide)などで形成することができる。また誘電体層20は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。これらのうち、誘電体層20の材質としては、SiO2であることがより好ましい。このようにすれば、400nm以上の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。 The dielectric layer 20 only needs to have a positive dielectric constant, and can be formed of, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , polymer, ITO (Indium Tin Oxide), or the like. The dielectric layer 20 may be composed of a plurality of layers made of different materials. Of these, the material of the dielectric layer 20 is more preferably SiO 2 . In this way, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift using incident light having a wavelength λ i of 400 nm or more, both incident light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
誘電体層20は、屈折率ndを有する。誘電体層20が複数層で構成される場合や複数の材質を含んで構成される場合には、誘電体層20の全体としての実効屈折率を屈折率ndとする。 The dielectric layer 20 has a refractive index n d. When the dielectric layer 20 is configured to include a case and a plurality of materials consisting of multiple layers, the effective refractive index of the entire dielectric layer 20 and the refractive index n d.
誘電体層20の厚さdは、光学素子100に照射される入射光の波長λi、波長λiの光を入射した際のラマン散乱光の波長λs等を考慮して設計されd2<d<d1の関係を満たす。 The thickness d of the dielectric layer 20 is designed in consideration of the wavelength λ i of incident light irradiated on the optical element 100, the wavelength λ s of Raman scattered light when light having the wavelength λ i is incident, and the like. The relationship d <d1 is satisfied.
ここでd2は、式(1)
d2=mdλ/2nd ・・・(1)
の関係を満たす(md=1、λは入射光の波長λi又はラマン散乱光の波長λsを表し、ndは誘電体層20の屈折率を表す。)。
また、d1は、波長λiにおける金属粒子層30の誘電率εmを、Maxwell−Garnettの式で得られる実効誘電率ε(ω)で与えた際に、光学素子100の金属層10、誘電体層20及び金属粒子層30を含む構造において生じる2次の干渉によって強め合う条件を満たす誘電体層20の厚さである。なお、d1及びd2は、式(2)
d2<d1 ・・・(2)
の関係を満たす。
Here, d2 is an expression (1).
d2 = m d λ / 2n d (1)
(M d = 1, λ represents the wavelength λ i of the incident light or the wavelength λ s of the Raman scattered light, and n d represents the refractive index of the dielectric layer 20).
Further, d1 represents the metal layer 10 of the optical element 100, the dielectric constant when the dielectric constant ε m of the metal particle layer 30 at the wavelength λ i is given by the effective dielectric constant ε (ω) obtained by the Maxwell-Garnett equation. This is the thickness of the dielectric layer 20 that satisfies the conditions for strengthening by secondary interference generated in the structure including the body layer 20 and the metal particle layer 30. In addition, d1 and d2 are the expressions (2)
d2 <d1 (2)
Satisfy the relationship.
本実施形態の光学素子100では、誘電体層20の厚さdがこのような関係を満たすことにより、大きいラマンシフトを示す試料を測定する場合であっても、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。係るメカニズムの詳細については後述する。 In the optical element 100 of the present embodiment, both the incident light and the Raman scattered light are measured even when a sample exhibiting a large Raman shift is measured when the thickness d of the dielectric layer 20 satisfies such a relationship. Can be sufficiently enhanced. Details of the mechanism will be described later.
1.3.金属粒子層
図1〜図5に示すように、金属粒子層30は、金属粒子40が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列41を有し、かつ、金属粒子列41が、第1方向と交差する第2方向に、ピッチP1よりも大きいピッチP2で複数並んだ構造を有する。図3、4に示すように、金属粒子層30は、金属粒子40を含む層であるが、金属粒子40以外の部分には、誘電体、金属等の他の物質が配置されてもよく、好ましくは気体が配置される。本明細書では、金属粒子層30は、誘電体層20の上面から、金属粒子40の誘電体層20から離れた側の先端に接する面との間の領域を指す。例えば、金属粒子層30の上面は、金属粒子層30に金属粒子40と気体が含まれている場合には、仮想的な面であり、金属粒子層30には、金属粒子40の側方に配置された気体も含まれるものとする。
1.3. Metal Particle Layer As shown in FIGS. 1 to 5, the metal particle layer 30 has a metal particle row 41 in which a plurality of metal particles 40 are arranged at a pitch P1 in the first direction, and the metal particle row 41 is In the second direction intersecting the first direction, a plurality of structures are arranged at a pitch P2 larger than the pitch P1. As shown in FIGS. 3 and 4, the metal particle layer 30 is a layer containing the metal particles 40, but other substances such as dielectrics and metals may be disposed in portions other than the metal particles 40, Preferably gas is arranged. In this specification, the metal particle layer 30 refers to a region between the upper surface of the dielectric layer 20 and the surface in contact with the tip of the metal particle 40 on the side away from the dielectric layer 20. For example, the upper surface of the metal particle layer 30 is an imaginary surface when the metal particle layer 30 includes the metal particles 40 and a gas, and the metal particle layer 30 has side surfaces of the metal particles 40. Included gas shall also be included.
(金属粒子)
金属粒子40は、誘電体層20の存在により、金属層10から厚さ方向に離間して設けられる。金属粒子40は、金属層10の上に誘電体層20を介して配置される。本実施形態の図1〜図5の例では、金属層10の上に誘電体層20が設けられ、その上に金属粒子40が形成されることにより、金属層10と金属粒子40とが厚さ方向で離間して配置され、金属粒子層30が形成されている。
(Metal particles)
The metal particles 40 are provided away from the metal layer 10 in the thickness direction due to the presence of the dielectric layer 20. The metal particles 40 are disposed on the metal layer 10 via the dielectric layer 20. In the example of FIGS. 1 to 5 of the present embodiment, the dielectric layer 20 is provided on the metal layer 10, and the metal particles 40 are formed thereon, whereby the metal layer 10 and the metal particles 40 are thick. The metal particle layer 30 is formed so as to be spaced apart in the vertical direction.
金属粒子40の形状は、特に限定されない。例えば、金属粒子40の形状は、金属層10又は誘電体層20の厚さ方向に投影した場合に(厚さ方向からの平面視において)円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組合わせた形であることができ、厚さ方向に直交する方向に投影した場合にも円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組合わせた形状であることができる。図1〜図5の例では金属粒子40は、いずれも誘電体層20の厚さ方向に中心軸を有する円柱状の形状で描かれているが、金属粒子40の形状はこれに限定されない。 The shape of the metal particle 40 is not particularly limited. For example, the shape of the metal particles 40 may be a circle, an ellipse, a polygon, an indeterminate shape or a combination of them when projected in the thickness direction of the metal layer 10 or the dielectric layer 20 (in plan view from the thickness direction). Even when projected in a direction orthogonal to the thickness direction, the shape may be a circle, an ellipse, a polygon, an indeterminate shape, or a combination thereof. 1 to 5, the metal particles 40 are all drawn in a columnar shape having a central axis in the thickness direction of the dielectric layer 20, but the shape of the metal particles 40 is not limited to this.
金属粒子40の高さ方向の大きさTは、高さ方向に垂直な平面によって金属粒子40を切ることができる区間の長さを指し、1nm以上300nm以下である。また、金属粒子40の高さ方向に直交する第1方向の大きさは、第1方向に垂直な平面によって金属粒子40を切ることができる区間の長さを指し、5nm以上300nm以下である。例えば、金属粒子40の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子40の高さ方向の大きさ(円柱の高さ)は、1nm以上300nm以下、好ましくは2nm以上100nm以下、より好ましくは3nm以上50nm以下、さらに好ましくは4nm以上40nm以下である。また金属粒子40の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子40の第1方向の大きさ(円柱底面の直径)は、10nm以上300nm以下、好ましくは20nm以上200nm以下、より好ましくは25nm以上180nm以下である。 The size T in the height direction of the metal particles 40 refers to the length of a section in which the metal particles 40 can be cut by a plane perpendicular to the height direction, and is 1 nm or more and 300 nm or less. The size in the first direction perpendicular to the height direction of the metal particles 40 refers to the length of a section in which the metal particles 40 can be cut by a plane perpendicular to the first direction, and is 5 nm to 300 nm. For example, when the shape of the metal particles 40 is a cylinder having the height direction as a central axis, the size of the metal particles 40 in the height direction (the height of the cylinder) is 1 nm or more and 300 nm or less, preferably 2 nm or more. It is 100 nm or less, More preferably, it is 3 nm or more and 50 nm or less, More preferably, it is 4 nm or more and 40 nm or less. When the shape of the metal particle 40 is a cylinder having the height direction as the central axis, the size of the metal particle 40 in the first direction (diameter of the bottom surface of the cylinder) is 10 nm to 300 nm, preferably 20 nm to 200 nm. Hereinafter, it is more preferably 25 nm or more and 180 nm or less.
金属粒子40の形状、材質は、入射光の照射によって、局在型プラズモンを生じうる限り任意である。可視光付近の光によって局在型プラズモンを生じうる材質としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。これらの中でも、金属粒子40の材質としては、Au又はAgであることがより好ましい。このように
すれば、より強いLSP共鳴が得られ、素子全体の増強度を強めることができる。
The shape and material of the metal particles 40 are arbitrary as long as localized plasmons can be generated by irradiation with incident light. Examples of materials that can generate localized plasmons by light in the vicinity of visible light include gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof. Among these, the material of the metal particles 40 is more preferably Au or Ag. In this way, stronger LSP resonance can be obtained and the enhancement of the entire device can be increased.
金属粒子40は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、金属粒子40は、コロイド化学的手法によって形成することができ、これを適宜の手法によって金属層10から離間した位置に配置してもよい。 The metal particles 40 can be formed by, for example, a patterning method after forming a thin film by sputtering, vapor deposition, or the like, a microcontact printing method, a nanoimprinting method, or the like. The metal particles 40 can be formed by a colloidal chemical technique, and may be arranged at a position separated from the metal layer 10 by an appropriate technique.
金属粒子40は、本実施形態の光学素子100において局在型プラズモンを発生させる機能を有している。金属粒子40に、後述する条件で入射光を照射することにより、金属粒子40の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。金属粒子40に発生した局在型プラズモンは、上述の金属層10に発生する伝搬型プラズモンと、一定の条件下で相互作用(ハイブリッド)することができる。 The metal particles 40 have a function of generating localized plasmons in the optical element 100 of the present embodiment. By irradiating the metal particles 40 with incident light under the conditions described later, localized plasmons can be generated around the metal particles 40. Localized plasmons generated in the metal particles 40 can interact (hybridize) with propagation plasmons generated in the metal layer 10 under certain conditions.
(金属粒子の配置)
図1〜図5に示すように、金属粒子40は、複数が並んで金属粒子列41を構成している。金属粒子40は、金属粒子列41において、金属層10の厚さ方向と直交する第1方向に並んで配置される。言換えると金属粒子列41は、金属粒子40が高さ方向と直交する第1方向に複数並んだ構造を有する。金属粒子40が並ぶ第1方向は、金属粒子40が長手を有する形状の場合(異方性を有する形状の場合)、その長手方向とは一致しなくてもよい。1つの金属粒子列41に並ぶ金属粒子40の数は、複数であればよく、好ましくは10個以上である。
(Arrangement of metal particles)
As shown in FIGS. 1 to 5, a plurality of metal particles 40 form a metal particle row 41. The metal particles 40 are arranged side by side in a first direction orthogonal to the thickness direction of the metal layer 10 in the metal particle array 41. In other words, the metal particle row 41 has a structure in which a plurality of metal particles 40 are arranged in a first direction orthogonal to the height direction. The first direction in which the metal particles 40 are arranged does not have to coincide with the longitudinal direction when the metal particles 40 have a longitudinal shape (an anisotropic shape). The number of the metal particles 40 arranged in one metal particle row 41 may be plural, and is preferably 10 or more.
ここで金属粒子列41内における第1方向の金属粒子40の重心間の距離をピッチP1と定義する(図2〜図5参照)。金属粒子列41内における2つの金属粒子40の粒子間距離は、金属粒子40が金属層10の厚さ方向を中心軸とする円柱である場合には、ピッチP1から円柱の直径を差引いた長さに等しい。この粒子間距離が小さいと、粒子間に働く局在型プラズモンの強度が増大する傾向がある。粒子間距離は、1nm以上530nm以下であり、好ましくは5nm以上200nm以下、より好ましくは5nm以上150nm以下とすることができる。 Here, the distance between the centers of gravity of the metal particles 40 in the first direction in the metal particle array 41 is defined as a pitch P1 (see FIGS. 2 to 5). The distance between the two metal particles 40 in the metal particle array 41 is a length obtained by subtracting the diameter of the cylinder from the pitch P1 when the metal particle 40 is a cylinder having the thickness direction of the metal layer 10 as a central axis. Equal to When the distance between the particles is small, the intensity of the localized plasmon acting between the particles tends to increase. The interparticle distance is 1 nm or more and 530 nm or less, preferably 5 nm or more and 200 nm or less, more preferably 5 nm or more and 150 nm or less.
金属粒子列41内における第1方向の金属粒子40のピッチP1は、6nm以上535nm以下であり、好ましくは10nm以上400nm以下、より好ましくは20nm以上350nm以下である。 The pitch P1 of the metal particles 40 in the first direction in the metal particle row 41 is 6 nm or more and 535 nm or less, preferably 10 nm or more and 400 nm or less, more preferably 20 nm or more and 350 nm or less.
金属粒子列41内における第1方向の金属粒子40のピッチP1が、6nm以上535nm以下であると、1100nm未満の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。 When the pitch P1 of the metal particles 40 in the first direction in the metal particle array 41 is 6 nm or more and 535 nm or less, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift using incident light having a wavelength λ i of less than 1100 nm. Both incident light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
金属粒子列41内における第1方向の金属粒子40のピッチP1が、20nm以上350nm以下であると、400nm以上700nm未満の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。 When the pitch P1 of the metal particles 40 in the first direction in the metal particle array 41 is 20 nm or more and 350 nm or less, a sample exhibiting a large Raman shift is measured using incident light having a wavelength λ i of 400 nm or more and less than 700 nm. In this case, both incident light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
金属粒子列41は、第1方向にピッチP1で並ぶ複数の金属粒子40によって構成されるが、金属粒子40に発生される局在型プラズモンの分布・強度等は、この金属粒子40の配列にも依存する。したがって、金属層10に発生する伝搬型プラズモンと相互作用する局在型プラズモンは、単一の金属粒子40に発生する局在型プラズモンだけでなく、金属粒子列41における金属粒子40の配列を考慮した局在型プラズモンである。 The metal particle array 41 is composed of a plurality of metal particles 40 arranged at a pitch P1 in the first direction. The distribution / strength of localized plasmons generated in the metal particles 40 depends on the arrangement of the metal particles 40. Also depends. Therefore, the localized plasmon that interacts with the propagation plasmon generated in the metal layer 10 takes into account the arrangement of the metal particles 40 in the metal particle array 41 as well as the localized plasmon generated in the single metal particle 40. It is a localized plasmon.
図1〜図5に示すように、金属粒子列41は、金属層10の厚さ方向及び第1方向と交差する第2方向にピッチP2で並んで配置される。金属粒子列41が並ぶ数は、複数であればよく、好ましくは10列以上である。 As shown in FIGS. 1-5, the metal particle row | line | column 41 is arrange | positioned along with the pitch P2 in the 2nd direction which cross | intersects the thickness direction of the metal layer 10, and a 1st direction. The number of the metal particle rows 41 may be a plurality, preferably 10 rows or more.
ここで、隣合う金属粒子列41の第2方向における重心間の距離をピッチP2と定義する。ピッチP2は、金属粒子列41が、複数の列から構成される場合には、複数の列の第2方向における重心の位置と、隣の金属粒子列41の複数の列の第2方向における重心の位置と、の間の距離を指す。 Here, the distance between the centroids in the second direction of the adjacent metal particle rows 41 is defined as the pitch P2. When the metal particle row 41 is composed of a plurality of rows, the pitch P2 is the position of the center of gravity in the second direction of the plurality of rows and the center of gravity in the second direction of the plurality of rows of the adjacent metal particle row 41. And the distance between.
金属粒子列41間のピッチP2は、金属粒子40間のピッチP1よりも大きい。すなわち、ピッチP1及びピッチP2の間には、P1<P2の関係がある。係る関係を有することにより、光学素子100における金属粒子40の配置は、誘電体層20の厚さ方向から見た場合に、異方性を有することとなる。 The pitch P <b> 2 between the metal particle rows 41 is larger than the pitch P <b> 1 between the metal particles 40. That is, there is a relationship of P1 <P2 between the pitch P1 and the pitch P2. By having such a relationship, the arrangement of the metal particles 40 in the optical element 100 has anisotropy when viewed from the thickness direction of the dielectric layer 20.
金属粒子列41間のピッチP2は、以下の「1.4.伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン」で述べる条件に従い設定され得るが、例えば、10nm以上10μm以下であり、好ましくは100nm以上2μm以下、より好ましくは300nm以上1900nm以下、さらに好ましくは400nm以上1850nm以下、特に好ましくは480nm以上1840nm以下である。 The pitch P2 between the metal particle rows 41 can be set according to the conditions described in “1.4. Propagation type plasmon and localized type plasmon” below, but is, for example, 10 nm or more and 10 μm or less, preferably 100 nm or more and 2 μm or less. More preferably, they are 300 nm or more and 1900 nm or less, More preferably, they are 400 nm or more and 1850 nm or less, Especially preferably, they are 480 nm or more and 1840 nm or less.
金属粒子列41間のピッチP2が、480nm以上1840nm以下であると、600nm以上1100nm未満の波長λiの入射光を用いて、ラマンシフトが2500cm-1以上3500cm-1未満の構造を有する試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。 When the pitch P2 between the metal particle rows 41 is 480 nm or more and 1840 nm or less, a sample having a structure with a Raman shift of 2500 cm −1 or more and less than 3500 cm −1 using incident light having a wavelength λ i of 600 nm or more and less than 1100 nm. In measurement, both incident light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
なお、金属粒子列41の伸びる第1方向の線と、隣合う金属粒子列41にそれぞれ属する2つの金属粒子40であって、互いに最も近接する2つの金属粒子40を結ぶ線と、がなす角は、特に限定されず、直角であってもなくてもよい。例えば、図2に示すように、両者がなす角が直角であってもよいし、図5に示すように、両者がなす角が直角でなくてもよい。すなわち、厚さ方向から見た金属粒子40の配列を、金属粒子40の位置を格子点とした二次元格子とみなした場合に、既約基本単位格子は、長方形の形状であっても、平行四辺形の形状であってもよい。また、金属粒子列41の伸びる第1方向の線と、隣合う金属粒子列41にそれぞれ属する2つの金属粒子40であって、互いに最も近接する2つの金属粒子40を結ぶ線と、がなす角が直角でない場合には、隣合う金属粒子列41にそれぞれ属する2つの金属粒子40であって、互いに最も近接する2つの金属粒子40の間の距離をピッチP2としてもよい。 An angle formed by a line extending in the first direction of the metal particle row 41 and a line connecting two metal particles 40 belonging to the adjacent metal particle row 41 and connecting the two metal particles 40 closest to each other. Is not particularly limited and may or may not be a right angle. For example, as shown in FIG. 2, the angle between the two may be a right angle, or as shown in FIG. 5, the angle between the two may not be a right angle. That is, when the arrangement of the metal particles 40 viewed from the thickness direction is regarded as a two-dimensional lattice with the position of the metal particles 40 as a lattice point, the irreducible basic unit lattice is parallel even if it is a rectangular shape. It may be a quadrilateral shape. In addition, an angle formed by a line extending in the first direction of the metal particle row 41 and a line connecting the two metal particles 40 belonging to the adjacent metal particle row 41 and closest to each other. Is not a right angle, the distance between the two metal particles 40 belonging to the adjacent metal particle rows 41 and closest to each other may be the pitch P2.
1.4.伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン
まず、伝搬型プラズモンについて説明する。図6は、入射光及び金の分散曲線を示す分散関係のグラフである。通常は、金属層10に光を0〜90度の入射角(照射角θ)で入射しても伝搬型プラズモンは発生しない。例えば、金属層10がAuからなる場合には、図6に示すように、ライトライン(LightLine)とAuのSPPの分散曲線が交点を持たないからである。また、光が通過する媒体の屈折率が変化しても、AuのSPPも周辺の屈折率に応じて変化するため、やはり交点を持たないことになる。交点を持たせ伝搬型プラズモンを起こさせるためには、クレッチマン配置のようにプリズム上に金属層を設け、プリズムの屈折率により入射光の波数を増加させる方法や、回折格子によりライトラインの波数を増加させる方法がある。なお図6はいわゆる分散関係を示すグラフ(縦軸を角振動数[ω(eV)]、横軸を波数ベクトル[k(eV/c)]としたもの)である。
1.4. Propagation-type plasmon and localized-type plasmon First, the propagation-type plasmon will be described. FIG. 6 is a graph of dispersion relation showing dispersion curves of incident light and gold. Usually, even if light is incident on the metal layer 10 at an incident angle (irradiation angle θ) of 0 to 90 degrees, no propagation plasmon is generated. For example, when the metal layer 10 is made of Au, as shown in FIG. 6, the dispersion curve of the light line (LightLine) and the SPP of Au has no intersection. Even if the refractive index of the medium through which the light passes changes, the Au SPP also changes according to the refractive index of the surroundings, so that there is no intersection. In order to create a propagation type plasmon by having an intersection, a metal layer is provided on the prism as in the Kretschmann arrangement, and the wave number of the light line is increased by a diffraction grating. There are ways to increase it. FIG. 6 is a graph showing a so-called dispersion relationship (vertical axis is angular frequency [ω (eV)] and horizontal axis is wave vector [k (eV / c)]).
また、図6のグラフの縦軸の角振動数ω(eV)は、波長λ(nm)=1240/ω(eV)の関係があり、波長に換算することができる。また、同グラフの横軸の波数ベクトルk(eV/c)は、k(eV/c)=2π・2/[波長λ(nm)/100]の関係がある。したがって、例えば、波長λ=600nmのとき、k=2.09(eV/c)となる。また、照射角は、入射光の照射角であって、金属層10若しくは誘電体層20の厚さ方向、又は金属粒子40の高さ方向からの傾斜角である。 Further, the angular frequency ω (eV) on the vertical axis of the graph of FIG. 6 has a relationship of wavelength λ (nm) = 1240 / ω (eV) and can be converted into a wavelength. Further, the wave vector k (eV / c) on the horizontal axis of the graph has a relationship of k (eV / c) = 2π · 2 / [wavelength λ (nm) / 100]. Therefore, for example, when the wavelength λ = 600 nm, k = 2.09 (eV / c). The irradiation angle is an incident angle of incident light, and is an inclination angle from the thickness direction of the metal layer 10 or the dielectric layer 20 or the height direction of the metal particles 40.
図6にはAuのSPPの分散曲線を示したが、一般には、金属層10に入射される入射光の角振動数をωi、真空中の光速をc、金属層10を構成する金属の誘電率をε1(ω)、周辺の誘電率をε2としたとき、その金属のSPPの分散曲線は、式(3)
KSPP=ωi/c[ε2・ε1(ωi)/(ε2+ε1(ωi))]1/2 ・・・(3)
で与えられる。
FIG. 6 shows the dispersion curve of the SPP of Au. In general, the angular frequency of incident light incident on the metal layer 10 is ω i , the speed of light in vacuum is c, and the metal constituting the metal layer 10 is shown in FIG. When the dielectric constant is ε 1 (ω) and the peripheral dielectric constant is ε 2 , the dispersion curve of the SPP of the metal is expressed by the equation (3).
K SPP = ω i / c [ε 2 · ε 1 (ω i ) / (ε 2 + ε 1 (ω i ))] 1/2 (3)
Given in.
一方、入射光の照射角であって金属層10若しくは誘電体層20の厚さ方向、又は金属粒子40の高さ方向からの傾斜角をθとし、間隔Qを有する仮想的な回折格子を通過した光の波数Kは、式(4)
K=n2・(ωi/c)・sinθ+m・2π/Q (m=±1,±2,,) ・・・(4)
で表すことができ、この関係は、分散関係のグラフ上には、曲線ではなく直線で現れる。
On the other hand, the angle of incidence of incident light, which is the inclination angle from the thickness direction of the metal layer 10 or the dielectric layer 20 or the height direction of the metal particles 40, is θ, and passes through a virtual diffraction grating having an interval Q The wave number K of the measured light is given by equation (4)
K = n 2 · (ω i / c) · sin θ + m · 2π / Q (m = ± 1, ± 2,...) (4)
This relationship appears as a straight line instead of a curve on the dispersion relationship graph.
なお、n2は、周辺屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率ε2の実数部ε2’と虚数部ε2”は、それぞれ、ε2’=n2 2−κ2 2、ε2”=2n2κ2で与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ2〜0であるから、ε2は実数で、ε2=n2 2となり、n2=ε2 1/2で与えられる。mは回折光の次数を示す。 Note that n 2 is the peripheral refractive index, and if the extinction coefficient is κ, the real part ε 2 ′ and the imaginary part ε 2 ″ of the relative permittivity ε 2 at the light frequency are ε 2 ′ = If n 2 2 −κ 2 2 , ε 2 ″ = 2n 2 κ 2 and the surrounding material is transparent, it is κ 2 to 0, so ε 2 is a real number and ε 2 = n 2 2 , N 2 = ε 2 1/2 . m represents the order of the diffracted light.
分散関係のグラフにおいて、金属のSPPの分散曲線(上記式(3))と回折光の直線(上記式(4))とが交点を有する場合に、伝搬型プラズモンが励起される。すなわち、KSPP=Kの関係が成立すると、金属層10に伝搬型プラズモンが励起される。 In the graph of dispersion relation, when the dispersion curve of the metal SPP (the above formula (3)) and the straight line of diffracted light (the above formula (4)) have an intersection, the propagation plasmon is excited. That is, when the relationship of K SPP = K is established, the propagation plasmon is excited in the metal layer 10.
したがって、上記式(3)及び式(4)から、以下の式(5)が得られ、
(ωi/c)・{ε2・ε1(ωi)/(ε2+ε1(ωi))}1/2=ε2 1/2・(ωi/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(5)
この式(5)の関係を満たせば、金属層10に伝搬型プラズモンが励起されることが理解される。この場合、図6のAuのSPPの例でいえば、θ及びmを変化させることにより、ライトラインの傾き及び/又は切片を変化させることができ、AuのSPPの分散曲線に対してライトラインの直線を交差させることができる。
Therefore, from the above equations (3) and (4), the following equation (5) is obtained:
(Ω i / c) · {ε 2 · ε 1 (ω i ) / (ε 2 + ε 1 (ω i ))} 1/2 = ε 2 1/2 · (ω i / c) · sin θ + 2mπ / Q ( m = ± 1, ± 2,) (5)
It is understood that the propagation type plasmon is excited in the metal layer 10 when the relationship of the formula (5) is satisfied. In this case, in the example of the Au SPP in FIG. 6, the inclination and / or intercept of the write line can be changed by changing θ and m, and the write line is compared with the dispersion curve of the Au SPP. Can be crossed.
次に、局在型プラズモンについて説明する。
金属粒子40に局在型プラズモンを生じさせる条件は、誘電率の実数部により、
Real[ε1(ω)]=−2ε2 ・・・(6)
で与えられる。周辺の屈折率n2を1とすると、ε2=n2 2−κ2 2=1なので、Real[ε1(ω)]=−2、となる。
Next, localized plasmons will be described.
The condition for generating localized plasmons in the metal particles 40 depends on the real part of the dielectric constant:
Real [ε 1 (ω)] = − 2ε 2 (6)
Given in. If the peripheral refractive index n 2 is 1, ε 2 = n 2 2 −κ 2 2 = 1, so that Real [ε 1 (ω)] = − 2.
図7は、Agの誘電率と波長の関係を示すグラフである。例えば、Agの誘電率は、図7のようであり、約400nm以上の波長で局在型プラズモンが励起されることになるが、複数のAg粒子がナノオーダーで近づく場合や、Ag粒子と金属層10(Au膜等)が誘電体層20(SiO2等)によって隔てられて配置された場合には、そのギャップの影響により、局在型プラズモンの励起ピーク波長はレッドシフト(長波長側へシフト)する。このシフト量は、Ag径、Ag厚さ、Ag粒子間隔、誘電体層厚さ等のディメンジョンに依るが、例えば500nm〜900nmに局在型プラズモンがピークとなる波長特性を
示すことになる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of Ag and the wavelength. For example, the dielectric constant of Ag is as shown in FIG. 7, and localized plasmons are excited at a wavelength of about 400 nm or more. However, when a plurality of Ag particles approach in the nano order, or Ag particles and metal When the layer 10 (Au film or the like) is disposed separated by the dielectric layer 20 (SiO 2 or the like), the excitation peak wavelength of the localized plasmon is red-shifted (to the longer wavelength side) due to the influence of the gap. shift. Although this shift amount depends on dimensions such as Ag diameter, Ag thickness, Ag particle spacing, and dielectric layer thickness, it shows a wavelength characteristic in which the localized plasmon peaks at, for example, 500 nm to 900 nm.
また、局在型プラズモンは、伝搬型プラズモンと異なり、速度を持たず、移動しないプラズモンであり、分散関係のグラフにプロットすると、傾きがゼロ、すなわち、ω/k=0となる。 Unlike the propagation plasmon, the localized plasmon is a plasmon that has no velocity and does not move. When plotted on a graph of the dispersion relationship, the slope is zero, that is, ω / k = 0.
図8は、金属の分散曲線、局在型プラズモン及び入射光の分散関係の一例を示すグラフである。本実施形態の光学素子100は、伝搬型プラズモンと局在型プラズモンを電磁的に結合(Electromagnetic Coupling)させることにより、電場の極めて大きい増強度を得るものである。すなわち、本実施形態の光学素子100は、分散関係のグラフにおいて、回折光の直線と金属のSPPの分散曲線との交点を、任意の点とするのではなく、金属粒子40(金属粒子列41)に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える点の近傍で両者を交差させることを特徴の一つとしている(図8参照)。 FIG. 8 is a graph showing an example of a dispersion relationship between a metal dispersion curve, localized plasmons, and incident light. The optical element 100 of the present embodiment obtains an extremely large increase in electric field by electromagnetically coupling propagating plasmons and localized plasmons (Electromagnetic Coupling). That is, the optical element 100 according to the present embodiment does not set the intersection of the straight line of the diffracted light and the dispersion curve of the metal SPP as an arbitrary point in the graph of the dispersion relationship, but the metal particle 40 (metal particle array 41). One of the features is that the two are crossed in the vicinity of a point giving the maximum or maximum enhancement in the localized plasmon generated in () (see FIG. 8).
換言すると、本実施形態の光学素子100では、分散関係のグラフにおいて、金属のSPPの分散曲線と、金属粒子40(金属粒子列41)に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える入射光の角振動数(図8の分散関係のグラフ上で、LSPと付した横軸に平行な線)との交点の近傍を、回折光の直線が通過するように設計される。 In other words, in the optical element 100 of the present embodiment, in the graph of the dispersion relation, the maximum or maximum enhancement is given in the dispersion curve of the metal SPP and the localized plasmon generated in the metal particle 40 (metal particle array 41). It is designed so that the straight line of the diffracted light passes through the vicinity of the intersection with the angular frequency of the incident light (a line parallel to the horizontal axis attached to LSP on the dispersion relation graph in FIG. 8).
ここで、交点の近傍とは、波長に換算した場合に、入射光の波長の±10%程度の長さの波長の範囲内であり、又は、入射光の波長の±P1(金属粒子40の金属粒子列41内におけるピッチP1)程度の長さの波長の範囲内である。 Here, the vicinity of the intersection is within a wavelength range having a length of about ± 10% of the wavelength of the incident light when converted into a wavelength, or ± P1 of the wavelength of the incident light (of the metal particles 40). It is within a wavelength range of a length of about the pitch P1) in the metal particle array 41.
上記式(3)、式(4)及び式(5)では、金属層10に入射される入射光の角振動数をωiとして、伝搬型プラズモンの励起される条件を示したが、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッド(相互作用)を生じさせるためには、本実施形態の光学素子100では、上記式(3)、式(4)及び式(5)におけるωiは、金属粒子40(金属粒子列41)に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える入射光の角振動数もしくはその近傍の角振動数となる。 In the above formulas (3), (4) and (5), the angular frequency of incident light incident on the metal layer 10 is ω i , and the conditions for exciting the propagation plasmon are shown. In order to generate a hybrid (interaction) between a type plasmon and a propagation type plasmon, in the optical element 100 of this embodiment, ω i in the above formulas (3), (4), and (5) is a metal In the localized plasmon generated in the particle 40 (metal particle array 41), the angular frequency of the incident light that gives the maximum or maximum enhancement is the angular frequency in the vicinity thereof.
したがって、金属粒子列41に励起される局在型プラズモンの角振動数をωとした場合に、上記式(5)を満たせば、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。 Therefore, when the angular frequency of the localized plasmon excited by the metal particle array 41 is ω, if the above formula (5) is satisfied, a hybrid of the localized plasmon and the propagating plasmon may be generated. it can.
よって、ピッチP1で金属粒子40が並んだ金属粒子列41に発生する局在型プラズモンの角振動数をωとし、分散関係のグラフにおいて、金属のSPPの分散曲線のωの位置の近傍に、照射角θで間隔Qの仮想的な回折格子に入射して回折された回折光(次数mdiff)の直線が通るようにすれば(式(5)を満足させれば)、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。言換えると、図8に示す分散関係のグラフにおいて、ライトラインの傾き及び/又は切片を変化させて、SPPとLSPとの交点の近傍を通るようにライトラインを変化させることにより、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。 Therefore, the angular frequency of the localized plasmon generated in the metal particle array 41 in which the metal particles 40 are arranged at the pitch P1 is ω, and in the graph of the dispersion relationship, in the vicinity of the position of ω in the dispersion curve of the metal SPP, If a straight line of diffracted light (order m diff ) diffracted by being incident on a virtual diffraction grating with an irradiation angle θ at an interval Q passes through (if Expression (5) is satisfied), the localized plasmon And a propagation type plasmon can be produced, and an extremely large enhancement can be obtained. In other words, in the graph of the dispersion relation shown in FIG. 8, by changing the light line inclination and / or intercept and changing the light line so as to pass near the intersection of the SPP and the LSP, A hybrid of plasmons and propagating plasmons can be generated, and an extremely large enhancement can be obtained.
金属粒子列41の間のピッチP2は、次のように設定される。垂直入射(入射角θ=0)で、かつ、1次の回折光(m=1)を用いる場合には、ピッチP2を間隔Qとすれば式(5)を満たすことができる。しかし、選択する入射角θ及び回折光の次数mにより、式(5)を満たすことのできる間隔Qは、幅を有することになる。なお、この場合の入射角
θは、厚さ方向から第2方向への傾斜角であることが好ましいが、第1方向の成分を含む方向への傾斜角としてもよい。
The pitch P2 between the metal particle rows 41 is set as follows. When normal incidence (incident angle θ = 0) and primary diffraction light (m = 1) are used, Equation (5) can be satisfied if the pitch P2 is the interval Q. However, the interval Q that can satisfy Equation (5) has a width depending on the incident angle θ and the order m of the diffracted light. In this case, the incident angle θ is preferably an inclination angle from the thickness direction to the second direction, but may be an inclination angle to the direction including the component in the first direction.
したがって、上記の交点近傍であること(±P1の幅)を考慮して、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることのできるピッチP2の範囲は、式(7)、
Q−P1≦P2≦Q+P1 ・・・(7)
となる。
Therefore, in consideration of being in the vicinity of the intersection point (the width of ± P1), the range of the pitch P2 in which the hybrid of the localized plasmon and the propagation plasmon can be generated is expressed by the following equation (7):
Q−P1 ≦ P2 ≦ Q + P1 (7)
It becomes.
一方、ピッチP2は、金属粒子列41間の第2方向のピッチであるが、隣合う金属粒子列41に属する2つの金属粒子40の間のピッチは、2つの金属粒子40の選び方によって、これらを結ぶ線は第2方向に対して傾けることができる。すなわち、ピッチP2よりも長い間隔を有するように、隣合う金属粒子列41に属する2つの金属粒子40を選ぶことができる。図2には、このことを説明する補助線が描かれており、第2方向に対して傾いた方向に沿って、ピッチP2よりも長い距離で離間した2つの金属粒子40を、隣合う金属粒子列41から選択することができる。既に述べたように、隣合う金属粒子列41は、互いに同じ金属粒子列41であるため、厚さ方向から見た金属粒子40の配列を、金属粒子40の位置を格子点とした二次元格子とみなすことができる。そうすると、この二次元格子には、ピッチP2よりも長い間隔(回折格子)が存在することになる。 On the other hand, the pitch P2 is the pitch in the second direction between the metal particle rows 41, but the pitch between the two metal particles 40 belonging to the adjacent metal particle rows 41 depends on how the two metal particles 40 are selected. Can be tilted with respect to the second direction. That is, the two metal particles 40 belonging to the adjacent metal particle rows 41 can be selected so as to have a longer interval than the pitch P2. In FIG. 2, an auxiliary line for explaining this is drawn, and two metal particles 40 separated by a distance longer than the pitch P2 along a direction inclined with respect to the second direction are adjacent to each other. The particle row 41 can be selected. As already described, since the adjacent metal particle rows 41 are the same metal particle row 41, the arrangement of the metal particles 40 viewed from the thickness direction is a two-dimensional lattice with the position of the metal particles 40 as a lattice point. Can be considered. As a result, this two-dimensional grating has an interval (diffraction grating) longer than the pitch P2.
したがって、ピッチP1及びピッチP2で配列された金属粒子40のマトリックスは、そのピッチP2よりも大きい間隔を有する回折格子による回折光が期待できる。そのため、上記式(7)の左側の不等式は、P1<P2とすることができる。換言すると、式(7)において、ピッチP2が、Q−P1よりも小さい場合でも、式(5)を満たすことのできる間隔Qを有する回折格子が存在しうるため、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。したがってピッチP2は、Q−P1よりも小さい値であってもよく、P1<P2の関係を満たせばよいことになる。 Therefore, the matrix of the metal particles 40 arranged at the pitch P1 and the pitch P2 can be expected to be diffracted light by the diffraction grating having an interval larger than the pitch P2. Therefore, the inequality on the left side of Equation (7) can be P1 <P2. In other words, in the equation (7), even when the pitch P2 is smaller than Q-P1, there can be a diffraction grating having an interval Q that can satisfy the equation (5). Hybrids with plasmons can be generated. Therefore, the pitch P2 may be a value smaller than Q−P1, and it is sufficient if the relationship of P1 <P2 is satisfied.
以上のことから、本実施形態の光学素子100における金属粒子列41の間のピッチP2は、下記式(8)
P1<P2≦Q+P1 ・・・(8)
の関係を満たせば、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとの良好なハイブリッドを生じさせることができることになる。
From the above, the pitch P2 between the metal particle rows 41 in the optical element 100 of the present embodiment is expressed by the following formula (8).
P1 <P2 ≦ Q + P1 (8)
If this relationship is satisfied, a good hybrid of localized plasmons and propagating plasmons can be generated.
1.4.入射光
光学素子100に入射される入射光の波長λiは、局在型プラズモンを生じ、かつ、上述の式(5)の関係を満足させることができる限り、限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。本実施形態では、入射光は、第1方向と同じ方向の直線偏光光であって、波長λiの光である。本実施形態では、入射光は、電場が光学素子100の第1方向(金属粒子列41の伸びる方向)と同じ方向の直線偏光光である。このようにすれば、光学素子100によって非常に大きい光の増強度を得ることができる。
1.4. Incident Light The wavelength λ i of incident light incident on the optical element 100 is not limited as long as it produces localized plasmons and can satisfy the relationship of the above-described formula (5). It can be electromagnetic waves including light and infrared light. In the present embodiment, the incident light is linearly polarized light in the same direction as the first direction and is light having a wavelength λ i . In the present embodiment, the incident light is linearly polarized light whose electric field is in the same direction as the first direction of the optical element 100 (the direction in which the metal particle row 41 extends). In this way, the optical element 100 can obtain a very large light enhancement.
入射光の波長λiは、例えば、400nm以上1070nm以下、好ましくは500nm以上1070nm以下、より好ましくは630nm以上1070nm以下とすることができる。このようにすれば、メチル基などの大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者の増強度をより高めることができる。 The wavelength λ i of the incident light can be, for example, 400 nm or more and 1070 nm or less, preferably 500 nm or more and 1070 nm or less, more preferably 630 nm or more and 1070 nm or less. In this way, when measuring a sample exhibiting a large Raman shift such as a methyl group, the enhancement of both incident light and Raman scattered light can be further increased.
1.5.増強度
FDTD計算のメッシュ位置により、X方向(第1方向)の電場ExとZ方向(厚さ方向)の電場Ezの大きさの関係、つまりベクトルが変化する。X方向の直線偏光光を励起
光として用いた場合、Y方向(第2方向)の電場Eyはほとんど無視できる。そのため、増強度はExとEzの二乗和の平方根、即ちSQRT(Ex2+Ez2)を用いて把握することができる。このようにすれば、局所電場のスカラーとして互いに比較することができる。
1.5. Increase Strength The relationship between the magnitude of the electric field Ex in the X direction (first direction) and the electric field Ez in the Z direction (thickness direction), that is, the vector changes depending on the mesh position of the FDTD calculation. When linearly polarized light in the X direction is used as excitation light, the electric field Ey in the Y direction (second direction) can be almost ignored. Therefore, the enhancement can be grasped using the square root of the square sum of Ex and Ez, that is, SQRT (Ex 2 + Ez 2 ). In this way, they can be compared with each other as a scalar of the local electric field.
なお、本明細書の実験例や図等において、第1方向をX方向と称する場合があり、その方向のことを「X」なる表記によって表現する場合がある。また、第2方向をY方向と称する場合があり、その方向のことを「Y」なる表記によって表現する場合がある。また、素子の厚さ方向をZ方向と称する場合があり、その方向のことを「Z」なる表記によって表現する場合がある。 In the experimental examples and drawings of the present specification, the first direction may be referred to as the X direction, and the direction may be represented by the notation “X”. Further, the second direction may be referred to as the Y direction, and the direction may be expressed by the notation “Y”. Further, the thickness direction of the element may be referred to as a Z direction, and the direction may be expressed by the notation “Z”.
SERS(Surface Enhancement Raman Scattering)効果は、SERS EF(Enhancement Factor)として、励起光の波長における電場増強度をEi、ラマン散乱後の波長における電場増強度をEsとし、ホットスポット密度(HSD)を用いて、下記式(a)
SERS EF=Ei2・Es2・HSD ・・・(a)
で表される。
The SERS (Surface Enhancement Raman Scattering) effect is SERS EF (Enhancement Factor), where the electric field enhancement at the wavelength of the excitation light is Ei, the electric field enhancement at the wavelength after Raman scattering is Es, and the hot spot density (HSD) is used. The following formula (a)
SERS EF = Ei 2 · Es 2 · HSD (a)
It is represented by
光学素子100の増強度を考える場合には、いわゆるホットスポット密度(HSD)を考慮する必要がある。すなわち、光学素子100による光の増強度は、光学素子100の単位面積あたりの金属粒子層30の数に依存する。本実施形態の光学素子100においては、上述の式(1)、式(2)の関係が満たされるようにピッチP1、ピッチP2が配置される。したがって、HSDを考慮すると、光学素子100のSERS増強度は、(Ei2+Es2)/(P1・P2)に比例することになる。なお、後述の実験例においては、同一のHSDにおける比較のため、上記式(a)に関し、簡単のため、SERS EF=Ei2・Es2と定義している。 When considering the enhancement of the optical element 100, it is necessary to consider so-called hot spot density (HSD). That is, the light enhancement intensity by the optical element 100 depends on the number of metal particle layers 30 per unit area of the optical element 100. In the optical element 100 of the present embodiment, the pitch P1 and the pitch P2 are arranged so that the relationship of the above formulas (1) and (2) is satisfied. Therefore, considering HSD, the SERS enhancement of the optical element 100 is proportional to (Ei 2 + Es 2 ) / (P1 · P2). In the experimental examples described later, for comparison in the same HSD, the above formula (a) is defined as SERS EF = Ei 2 · Es 2 for simplicity.
1.6.光学素子の設計
本実施形態の光学素子100をSERSに使用する場合には、入射光の波長λi、誘電体層20の厚さd、金属粒子層30の構造を考慮し、かつ、測定対象となる試料のラマンシフトに対して、高い増強度を得るように構造を最適化する。
1.6. Design of Optical Element When the optical element 100 of this embodiment is used for SERS, the wavelength λ i of the incident light, the thickness d of the dielectric layer 20, the structure of the metal particle layer 30 is taken into consideration, and the measurement target The structure is optimized to obtain a high enhancement against the Raman shift of the sample.
ラマン散乱光の波長又は波数は、一般に広い帯域に及ぶ。このような広い帯域は、増強度プロファイルにおいて、1つのピークで増強度の高い領域をカバーすることは難しい。しかし、増強度又は反射率の波長特性を、2つ以上のピークを有するように設計し、一のピークを入射光の増強に、他のピークをラマン散乱光の増強に用いると、極めて高感度な分析が可能となる。さらに、一のピークを入射光及びラマンシフト量が小さいラマン散乱光の増強に、他のピークをラマンシフト量が大きいラマン散乱光の増強に用いると、より高感度な分析が可能となる。 The wavelength or wave number of Raman scattered light generally covers a wide band. In such a wide band, it is difficult to cover a region with high enhancement at one peak in the enhancement profile. However, if the wavelength characteristic of enhancement or reflectance is designed to have two or more peaks, one peak is used to enhance the incident light and the other peak is used to enhance the Raman scattered light. Analysis is possible. Furthermore, if one peak is used to enhance the incident light and the Raman scattered light having a small amount of Raman shift, and the other peak is used to enhance the Raman scattered light having a large amount of Raman shift, a more sensitive analysis can be performed.
薄膜干渉モデル(式(1)参照)によって、誘電体層20及び金属粒子層30の界面において、入射光が強めあう条件は、屈折率ndが一定である場合、波長λの光によって式(9)を満足する厚さd2となる。
d2=mdλ/2nd ・・・(9)
(ここで、λは、入射光の波長λi又はラマン散乱光の波長λsを表し、mdは正の整数、ndは誘電体層20の屈折率を表す。)
しかしながら、この場合には、mdは、1、2、3・・・・と、とびとびの値をとるため、薄膜干渉によって強められる波長は、厚さd2を変化させたとしても、とびとびの波長となる。またこの場合、厚さd2を変化させると、各mdに対応する強めあう波長が、連動するため、強めあう波長のそれぞれの位置を調節することが難しい。
The thin-film interference model (see equation (1)), at the interface of the dielectric layer 20 and the metal particle layer 30, a condition where the incident light is constructive, when the refractive index n d is constant, wherein the light of the wavelength lambda ( The thickness d2 satisfies 9).
d2 = m d λ / 2n d (9)
(Where λ represents the wavelength λ i of the incident light or the wavelength λ s of the Raman scattered light, m d represents a positive integer, and n d represents the refractive index of the dielectric layer 20).
However, in this case, since m d takes discrete values such as 1, 2, 3,..., The wavelength strengthened by the thin film interference is the discrete wavelength even if the thickness d2 is changed. It becomes. Also In this case, changing the thickness d2, wavelength constructive corresponding to each m d is, for interlocking, it is difficult to adjust the respective positions of the constructive wavelength.
一方、Maxwell−Garnettのモデルによる干渉を併用すれば、光学素子において2つのピークが生じるようにすることができ、それぞれのピークの位置を個別に変更することができる。 On the other hand, if interference based on the Maxwell-Garnett model is used in combination, two peaks can be generated in the optical element, and the positions of the respective peaks can be individually changed.
Maxwell−Garnettの式は以下の式(10)
(ε(ω)−ε2)/(ε(ω)+2ε2)=f(ε1(ω)−ε2)/(ε1(ω)+2ε2) ・・・(10)
で表される。ここで、ε(ω)は、金属粒子層30の実効誘電率、ε2は、金属粒子層30の金属粒子40以外の部分(媒質)の誘電率、ε1(ω)は、金属粒子層30の金属粒子40の誘電率、fは、金属粒子層30の金属粒子40の充填率(fill−factor)である。また、ε1(ω)は複素数であるから、ε(ω)も複素数である。したがって、ε1(ω)に特定の波長における金属粒子40の複素誘電率を与えれば、ε(ω)を求めることができる。
Maxwell-Garnett's equation is the following equation (10):
(Ε (ω) −ε 2 ) / (ε (ω) + 2ε 2 ) = f (ε 1 (ω) −ε 2 ) / (ε 1 (ω) + 2ε 2 ) (10)
It is represented by Here, ε (ω) is the effective dielectric constant of the metal particle layer 30, ε 2 is the dielectric constant of the portion (medium) other than the metal particles 40 of the metal particle layer 30, and ε 1 (ω) is the metal particle layer. 30 is a dielectric constant of the metal particles 40, and f is a fill-factor of the metal particles 40 in the metal particle layer 30. Since ε 1 (ω) is a complex number, ε (ω) is also a complex number. Therefore, if ε 1 (ω) is given the complex dielectric constant of the metal particle 40 at a specific wavelength, ε (ω) can be obtained.
Maxwell−Garnettのモデルによる干渉によって入射光が強め合う条件を算出する方法としては、例えば、転送行列を用いる方法が挙げられる。 An example of a method for calculating a condition in which incident light is strengthened by interference based on the Maxwell-Garnett model is a method using a transfer matrix.
本実施形態の光学素子100では、上記薄膜干渉モデルと、Maxwell−Garnettモデル(MGモデル)の両方を利用して、2つのピークを自由な波長差で設計している。 In the optical element 100 of the present embodiment, two peaks are designed with a free wavelength difference using both the thin film interference model and the Maxwell-Garnett model (MG model).
なお、上述のとおり、増強度の高い波長は、薄膜干渉モデルでは、誘電体層20の厚さdと、入射光の波長λi又はラマン散乱光の波長λsに依存する。MGモデルでは、増強度の高い波長は、誘電体層20の厚さd及び入射光の波長λiに加えて、金属粒子層30の金属粒子40のサイズ及び誘電率に依存する。そのため、本実施形態では、MGモデルを考慮することによって、増強度又は反射率の波長特性における2つのピークの波長を別々にチューニングすることができる。 Note that, as described above, in the thin film interference model, the wavelength with high enhancement depends on the thickness d of the dielectric layer 20 and the wavelength λ i of incident light or the wavelength λ s of Raman scattered light. In the MG model, the wavelength of high enhancement depends on the size and dielectric constant of the metal particles 40 of the metal particle layer 30 in addition to the thickness d of the dielectric layer 20 and the wavelength λ i of the incident light. Therefore, in the present embodiment, by considering the MG model, the wavelengths of the two peaks in the wavelength characteristic of the enhancement or reflectance can be tuned separately.
式(9)の薄膜干渉の条件では、金属粒子層30と金属層10の存在を考慮していないが、金属粒子40以外の金属粒子層30の領域(誘電体層20の上面が露出した領域)で起きる干渉は、薄膜干渉を考慮することにより設計できると考えられる。薄膜干渉によって強められた光は誘電体層20を伝播することができ、金属層10の表面プラズモン波と結合することができる。 Although the presence of the metal particle layer 30 and the metal layer 10 is not considered in the condition of the thin film interference of the formula (9), the region of the metal particle layer 30 other than the metal particle 40 (the region where the upper surface of the dielectric layer 20 is exposed) It is considered that the interference that occurs in (1) can be designed by considering thin film interference. The light enhanced by the thin film interference can propagate through the dielectric layer 20 and can be combined with the surface plasmon wave of the metal layer 10.
短波長側、長波長側のピークが薄膜干渉で強められるときの誘電体層20の厚さd2と、短波長側のピークがMaxwell−Garnettの効果により強められるときの誘電体層20の厚さd1とは互いに異なる。そのため、誘電体層20の厚さdは、薄膜干渉で強めあう誘電体層20の厚さd1と、Maxwell−Garnettモデルの干渉効果により強められるときの誘電体層20の厚さd2との間の値とすることにより、2つのピークをバランスよく強めることができる。すなわち、誘電体層20の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たせばよい。 The thickness d2 of the dielectric layer 20 when the short wavelength side peak and the long wavelength side peak are strengthened by thin film interference, and the thickness of the dielectric layer 20 when the short wavelength side peak is strengthened by the Maxwell-Garnett effect They are different from d1. Therefore, the thickness d of the dielectric layer 20 is between the thickness d1 of the dielectric layer 20 strengthened by thin film interference and the thickness d2 of the dielectric layer 20 when strengthened by the interference effect of the Maxwell-Garnett model. By setting this value, the two peaks can be strengthened with a good balance. That is, the thickness d of the dielectric layer 20 may satisfy the relationship d2 <d <d1.
これにより、入射光及び散乱光に対応する帯域の両方で、十分に高い増強度を得ることができる。本実施形態に係る光学素子100では、以下のように増強度または反射率の波長特性における2ピークを設計することができる。 Thereby, sufficiently high enhancement can be obtained in both bands corresponding to incident light and scattered light. In the optical element 100 according to the present embodiment, two peaks in the wavelength characteristic of the enhancement or reflectance can be designed as follows.
例えば、既知の物質の検出に本実施形態の光学素子100を用いる場合には、2つの増強度プロファイルのピークが、それぞれ入射光及び当該物質のラマン散乱光の波長又は波数の領域で大きくなるように設定する。このようにすれば、高感度で当該物質の検出を行
うことができる。また、例えば、未知の物質の検出、同定に本実施形態の光学素子100を用いる場合には、増強度又は反射率の波長特性における2つのピークが、できるだけ広い帯域で大きくなるように設定する。このようにすれば、高感度で当該物質の検出、同定を行うことができる。
For example, when the optical element 100 of the present embodiment is used for detection of a known substance, the peaks of the two enhancement profiles are increased in the wavelength or wave number region of the incident light and the Raman scattered light of the substance, respectively. Set to. In this way, the substance can be detected with high sensitivity. Further, for example, when the optical element 100 of the present embodiment is used for detection and identification of an unknown substance, two peaks in the wavelength characteristic of enhancement or reflectance are set so as to be large in as wide a band as possible. In this way, the substance can be detected and identified with high sensitivity.
1.8.作用効果
本実施形態の光学素子100は、以下の特徴を有する。
LSP、PSPの増強電場をそれぞれ干渉効果でさらに強めることによって、極めて大きな電場増強効果を得ることができる。すなわち、励起、散乱波長の両方で強い増強電場を得ることができる。
1.8. Effects The optical element 100 of the present embodiment has the following characteristics.
By further strengthening the enhanced electric fields of LSP and PSP by the interference effect, an extremely large electric field enhancing effect can be obtained. That is, a strong enhanced electric field can be obtained with both excitation and scattering wavelengths.
X方向に直線偏光した励起波長を用い、金属粒子をピッチP1で第1方向に形成し、LSPのホットスポットを高い密度で得ることができるので、ハイブリッド構造(GSPP)よりも高い増強効果を得ることができる。 Using an excitation wavelength linearly polarized in the X direction, metal particles are formed in the first direction at a pitch P1, and hot spots of LSP can be obtained at a high density, so that a higher enhancement effect than the hybrid structure (GSPP) is obtained. be able to.
誘電体層の厚さdを厚くすると、干渉効果による電場増強を利用できることに加え、SPPの分散曲線を低エネルギー側(長波長側)にすることができる。これにより、SPPが同じエネルギー(波長)である場合、誘電体層の厚さdが厚いほど波数が大きくなり、ピッチP2を短くすることができる。これにより入射光照射領域のホットスポット密度を高めることができる。 When the thickness d of the dielectric layer is increased, the electric field enhancement due to the interference effect can be used, and the dispersion curve of the SPP can be on the low energy side (long wavelength side). Thereby, when the SPP has the same energy (wavelength), the wave number increases as the thickness d of the dielectric layer increases, and the pitch P2 can be shortened. Thereby, the hot spot density in the incident light irradiation region can be increased.
これらの作用によって、励起波長と散乱波長の両方で強い増強度が得られ、ラマンシフトが大きい分子を高感度でセンシングすることができる。 By these actions, strong enhancement is obtained at both the excitation wavelength and the scattering wavelength, and molecules with a large Raman shift can be sensed with high sensitivity.
本実施形態の光学素子100によれば、増強度又は反射率の波長依存性において、2つのピークの位置をそれぞれ調節できるため、大きいラマンシフトを示す試料を測定する場合であっても、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができる。 According to the optical element 100 of the present embodiment, the position of the two peaks can be adjusted in the wavelength dependence of the enhancement intensity or reflectance, so that incident light can be measured even when measuring a sample exhibiting a large Raman shift. And both of the Raman scattered light can be sufficiently enhanced.
本実施形態の光学素子100は、高い増強度を有するため、例えば、医療・健康、環境、食品、公安等の分野において、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するためのセンサーに用いることができる。例えば、本実施形態の光学素子100の金属粒子40に抗体を結合してこのときの増強度を求めておき、該抗体に抗原が結合した場合の増強度の変化に基づいて抗原の有無や量を調べることができる。また、本実施形態の光学素子100の光の増強度を利用して、微量物質のラマン散乱光の増強に用いることができる。 Since the optical element 100 of the present embodiment has a high strength enhancement, for example, in the fields of medical / health, environment, food, public security, etc., bio-related substances such as bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, various antigens / antibodies, In addition, various compounds including inorganic molecules, organic molecules, and polymers can be used as sensors for detecting with high sensitivity, high accuracy, quickness and simpleness. For example, an antibody is bound to the metal particle 40 of the optical element 100 of the present embodiment to determine the enhancement at this time, and the presence / absence or amount of the antigen is determined based on the change in the enhancement when the antigen is bound to the antibody. Can be examined. In addition, the enhancement of light of the optical element 100 of the present embodiment can be used to enhance Raman scattered light of a trace substance.
2.分析装置
図9は、本実施形態の分析装置1000を模式的に示す図である。本実施形態に係る分析装置1000は、上述の光学素子100と、光学素子100に入射光を照射する光源300と、光学素子100から放射される光を検出する検出器400と、備える。
2. Analysis Device FIG. 9 is a diagram schematically showing the analysis device 1000 of the present embodiment. The analysis apparatus 1000 according to the present embodiment includes the optical element 100 described above, a light source 300 that irradiates the optical element 100 with incident light, and a detector 400 that detects light emitted from the optical element 100.
2.1.光学素子
光学素子100は、分析装置1000において、光を増強する機能を担う。光学素子100は、分析装置1000の分析の対象となる試料に接触させて用いられてもよい。分析装置1000における光学素子100の配置は、特に制限されず、設置角度等の調節可能なステージ等に設置されてもよい。光学素子100は、上記で説明したとおりである。
2.1. Optical Element The optical element 100 has a function of enhancing light in the analyzer 1000. The optical element 100 may be used in contact with a sample to be analyzed by the analyzer 1000. The arrangement of the optical element 100 in the analyzer 1000 is not particularly limited, and may be installed on a stage or the like whose installation angle can be adjusted. The optical element 100 is as described above.
2.2.光源
本実施形態の分析装置1000は、光源300を備える。光源300は、光学素子10
0に対して入射光を照射する。光源300は、光学素子100の第1方向(金属粒子40の並ぶ方向であって、金属粒子列41の伸びる方向)に直線偏光した光(第1方向と同じ方向の直線偏光光)を照射することができる。
2.2. Light Source The analysis apparatus 1000 according to this embodiment includes a light source 300. The light source 300 is the optical element 10.
0 is irradiated with incident light. The light source 300 emits light linearly polarized (linearly polarized light in the same direction as the first direction) in the first direction of the optical element 100 (the direction in which the metal particles 40 are arranged and the metal particle rows 41 extend). be able to.
誘電体層20の厚さ方向からの、光源300から照射される入射光の傾斜角θは、光学素子100の表面プラズモンの励起条件に応じて適宜変化させることができるようにしてもよい。光源300は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。 The inclination angle θ of the incident light irradiated from the light source 300 from the thickness direction of the dielectric layer 20 may be appropriately changed according to the excitation condition of the surface plasmon of the optical element 100. The light source 300 may be installed in a goniometer or the like.
光源300が照射する光は、光学素子100の表面プラズモンを励起することができれば、特に限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、光源300が照射する光は、コヒーレントな光であってもなくてもよい。具体的には、光源300としては、半導体レーザー、気体レーザー、ハロゲンランプ、高圧水銀灯、キセノンランプなどに、適宜、波長選択素子、フィルター、偏光子などを設けたものを例示することができる。 The light emitted from the light source 300 is not particularly limited as long as the surface plasmon of the optical element 100 can be excited, and can be an electromagnetic wave including ultraviolet light, visible light, and infrared light. The light emitted from the light source 300 may or may not be coherent light. Specifically, examples of the light source 300 include a semiconductor laser, a gas laser, a halogen lamp, a high-pressure mercury lamp, a xenon lamp, and the like provided with a wavelength selection element, a filter, a polarizer, and the like as appropriate.
偏光子を用いる場合には公知のものを用いることができ、適宜回転させる機構を備えてもよい。光源300からの光が励起光となって、光学素子100から増強された光が放射される。これにより、試料のラマン散乱光の増幅が起き、光学素子100と相互作用した物質の検出を行うことができる。 In the case of using a polarizer, a known one can be used, and a mechanism for appropriately rotating the polarizer may be provided. Light from the light source 300 becomes excitation light, and enhanced light is emitted from the optical element 100. As a result, the Raman scattered light of the sample is amplified, and the substance interacting with the optical element 100 can be detected.
2.3.検出器
本実施形態の分析装置1000は、検出器400を備える。検出器400は、光学素子100から放射された光を検出する。検出器400としては、例えば、CCD(Charge Coupled Device)、光電子増倍管、フォトダイオード、イメージングプレートなどを用いることができる。
2.3. Detector The analysis apparatus 1000 of this embodiment includes a detector 400. The detector 400 detects light emitted from the optical element 100. As the detector 400, for example, a CCD (Charge Coupled Device), a photomultiplier tube, a photodiode, an imaging plate, or the like can be used.
検出器400は、光学素子100から放射される光を検出できる位置に設けられればよく、光源300との位置関係も特に制限はない。また、検出器400は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。また、本実施形態の分析装置1000は、筐体、入出力手段等、図示せぬその他の適宜な構成を備えてもよい。 The detector 400 may be provided at a position where the light emitted from the optical element 100 can be detected, and the positional relationship with the light source 300 is not particularly limited. The detector 400 may be installed in a goniometer or the like. Further, the analysis apparatus 1000 of the present embodiment may include other appropriate configurations (not shown) such as a casing and input / output means.
以上説明した分析装置1000によれば、増強度プロファイル又は反射率の波長依存性において、2つのピークの位置をそれぞれ調節できる光学素子100を備えるため、大きいラマンシフトを示す試料を測定する場合であっても、広範な微量物質の検出、測定を容易にかつ高感度に行うことができる。 According to the analyzer 1000 described above, the optical element 100 that can adjust the positions of the two peaks in the wavelength dependence of the enhancement profile or the reflectance is provided, so that it is a case where a sample exhibiting a large Raman shift is measured. However, it is possible to easily and highly sensitively detect and measure a wide range of trace substances.
また、本実施形態の分析装置1000は、増強度が高いため、例えば、医療・健康、環境、食品、公安等の分野において、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知することができる。例えば、本実施形態の分析装置1000の光の増強度を利用して、微量物質のラマン散乱光を増強することができる。 In addition, since the analyzer 1000 of the present embodiment has high strength, for example, in the fields of medical / health, environment, food, public security, etc., biologically related substances such as bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and various antigens / antibodies In addition, various compounds including inorganic molecules, organic molecules, and macromolecules can be detected with high sensitivity, high accuracy, speedy and simple. For example, the Raman scattered light of a trace substance can be enhanced by using the light enhancement of the analyzer 1000 of the present embodiment.
3.電子機器
本実施形態の電子機器2000は、上述の分析装置1000と、検出器400からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部2010と、健康医療情報を記憶する記憶部2020と、健康医療情報を表示する表示部2030と、を備える。
3. Electronic Device An electronic device 2000 according to the present embodiment includes the above-described analyzer 1000, a calculation unit 2010 that calculates health and medical information based on detection information from the detector 400, a storage unit 2020 that stores health and medical information, A display unit 2030 for displaying health care information.
図10は、本実施形態の電子機器2000の構成の概略図である。分析装置1000は、「2.分析装置」で上述した分析装置1000であり、詳細な説明を省略する。 FIG. 10 is a schematic diagram of a configuration of the electronic device 2000 of the present embodiment. The analysis apparatus 1000 is the analysis apparatus 1000 described above in “2. Analysis apparatus”, and detailed description thereof is omitted.
演算部2010は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistance)であり、検出器400から送出される検出情報(信号等)を受取り、これに基づく演算を行う。また、演算部2010は、分析装置1000の制御を行ってもよい。例えば、演算部2010は、分析装置1000の光源300の出力、位置等の制御や、検出器400の位置の制御などを行ってもよい。演算部2010は、検出器400からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算することができる。そして、演算部2010によって演算された健康医療情報は、記憶部2020に記憶される。 The calculation unit 2010 is, for example, a personal computer or a personal digital assistant (PDA), receives detection information (signals and the like) sent from the detector 400, and performs a calculation based on the detection information. Further, the arithmetic unit 2010 may control the analysis apparatus 1000. For example, the arithmetic unit 2010 may perform control of the output and position of the light source 300 of the analyzer 1000, control of the position of the detector 400, and the like. The calculation unit 2010 can calculate health care information based on the detection information from the detector 400. The health care information calculated by the calculation unit 2010 is stored in the storage unit 2020.
記憶部2020は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部2010と一体的に構成されてもよい。記憶部2020に記憶された健康医療情報は、表示部2030に送出される。 The storage unit 2020 is, for example, a semiconductor memory, a hard disk drive, or the like, and may be configured integrally with the calculation unit 2010. The health care information stored in the storage unit 2020 is sent to the display unit 2030.
表示部2030は、例えば、表示板(液晶モニター等)、プリンター、発光体、スピーカー等により構成される。表示部2030は、演算部2010によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示又は発報する。 The display unit 2030 includes, for example, a display board (liquid crystal monitor or the like), a printer, a light emitter, a speaker, and the like. The display unit 2030 displays or issues information based on the health care information calculated by the calculation unit 2010 so that the user can recognize the contents.
健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも1種の生体関連物質、又は無機分子及び有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。 The presence or absence of at least one compound selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least one compound selected from inorganic and organic molecules is included as health care information Or information about the quantity can be included.
4.実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の例によってなんら限定されるものではない。以下の例は、計算機によるシミュレーションである。
4). Experimental Examples The experimental examples are shown below to further explain the present invention, but the present invention is not limited to the following examples. The following example is a computer simulation.
4.1.計算の概要等
計算はRsoft社(現サイバネットシステム株式会社)のFDTD soft Fullwaveを用いた。入射光は、X方向(第1方向)の直線偏光光とし、金属層の厚さ方向に平行な垂直入射とした。また、用いたメッシュの条件は、同一HSD内の比較には2nm最小メッシュ、増強度算出には1nm最小メッシュとし、計算時間cTは10μmとした。
4.1. Summary of calculation The calculation was performed using FDTD soft Fullwave of Rsoft (currently Cybernet System Co., Ltd.). The incident light was linearly polarized light in the X direction (first direction) and perpendicular incidence parallel to the thickness direction of the metal layer. The mesh conditions used were a 2 nm minimum mesh for comparison within the same HSD, a 1 nm minimum mesh for increase calculation, and a calculation time cT of 10 μm.
本実験例では増強度は、最大増強位置におけるSQRT(Ex2+Ez2)で表す。ここで、Exは、入射光の偏光方向(第1方向)の電場強度を示し、Ezは、厚さ方向の電場強度を示す。なお、この場合には、第2方向の電場強度は小さいので考慮していない。 In the present experimental example, the increase in intensity is represented by SQRT (Ex 2 + Ez 2 ) at the maximum enhancement position. Here, Ex represents the electric field strength in the polarization direction (first direction) of the incident light, and Ez represents the electric field strength in the thickness direction. In this case, the electric field strength in the second direction is small and is not considered.
図11は、実験例のシミュレーションに用いるモデルの基本構造を示す模式図である。
本実験例の構造のパラメーターの表記は、「金属層/誘電体層/金属粒子層の金属粒子」の順に表し、サイズパラメーターはX方向(第1方向)の周期Xp(ピッチP1)、Y方向(第2方向)の周期Yp(ピッチP2)、金属粒子の直径D、金属粒子の高さT、誘電体層の厚さdの順に表す。金属粒子層の金属粒子のモデルは円柱にした。例えば、Au膜/SiO2膜/Ag粒子の層で、Xp=140nm、Yp=600nm、D=80nm、T=30nm、d=150nmであれば、「Au/SiO2/Ag X140Y600D80T30d150」などと表す。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a basic structure of a model used for simulation of an experimental example.
The structure parameters in this experimental example are expressed in the order of “metal layer / dielectric layer / metal particle layer”, and the size parameters are the X direction (first direction) period Xp (pitch P1), the Y direction. The period Yp (pitch P2) in the (second direction), the diameter D of the metal particles, the height T of the metal particles, and the thickness d of the dielectric layer are represented in this order. The metal particle model of the metal particle layer was a cylinder. For example, if Xp = 140 nm, Yp = 600 nm, D = 80 nm, T = 30 nm, d = 150 nm in the layer of Au film / SiO 2 film / Ag particles, it is expressed as “Au / SiO 2 / Ag X140Y600D80T30d150” or the like. .
4.2.結果
以下に、FDTD計算の結果と、干渉の式の計算結果から、本実験例の光学素子において、干渉効果が起きており、d2<d<d1を満たす誘電体厚さdでSERS EFが最大となることを説明する。
4.2. Results From the results of the FDTD calculation and the calculation results of the interference equation, the interference effect occurs in the optical element of this experimental example, and the SERS EF is maximum at the dielectric thickness d satisfying d2 <d <d1. Explain that
<実験例1>
本実験例の構造、Au/SiO2/Au X200Y600D110T30において、励起波長630nm、散乱波長780nmのとき、干渉効果で強めあうSiO2膜厚を、式(9)、式(10)からそれぞれ求めた。
<Experimental example 1>
In the structure of this experimental example, Au / SiO 2 / Au X200Y600D110T30, when the excitation wavelength is 630 nm and the scattering wavelength is 780 nm, the SiO 2 film thickness strengthened by the interference effect was obtained from the equations (9) and (10), respectively.
具体的には、薄膜干渉モデルの式(9)に、n=1.46、λi=630、λs=770(nm)をそれぞれ代入した。また、Maxwell−Garnettの式(10)に、ε2=1(空気の誘電率)、ε1(ω)にAuの複素誘電率、ωとして波長630nmのエネルギー、を代入し、ε(ω)を求め、干渉で強めあう厚さdを計算した(干渉次数mはm=2とした。)。なお、f(フィルファクター)は、体積充填率であり、f=(金属粒子1個の体積)/(Xピッチ×Yピッチ×金属粒子の高さT)なので、f=π×(110/2)2×30/(200×600×30)=0.079とした。 Specifically, n = 1.46, λ i = 630, and λ s = 770 (nm) were substituted into Equation (9) of the thin film interference model, respectively. Further, ε 2 = 1 (dielectric constant of air) is substituted into Maxwell-Garnett equation (10), Au complex permittivity is substituted for ε 1 (ω), and energy of wavelength 630 nm is substituted for ω, and ε (ω) And the thickness d strengthened by interference was calculated (interference order m was set to m = 2). Note that f (fill factor) is a volume filling factor, and f = (volume of one metal particle) / (X pitch × Y pitch × metal particle height T), so that f = π × (110/2). 2 × 30 / (200 × 600 × 30) = 0.079.
計算結果を、以下の表1に示す。 The calculation results are shown in Table 1 below.
図12は、Au/SiO2/Au X200Y600D110T30のモデルのSiO2(誘電体層)の厚さdを、250nmから、20nm刻みで370nmまで変化させたときの反射スペクトルである。d>d2=mdλi/2nd=216nmのとき、2つのピークが発現し、入射光とラマン散乱光の両者を強めることが可能となる。 FIG. 12 is a reflection spectrum when the thickness d of SiO 2 (dielectric layer) in the Au / SiO 2 / Au X200Y600D110T30 model is changed from 250 nm to 370 nm in increments of 20 nm. d> When d2 = m d λ i / 2n d = 216nm, 2 peaks is expressed, it is possible to enhance both the incident light and the Raman scattered light.
干渉によってピークが強められると、ピークの形状が鋭くなる性質がある。長波長側のピークはSiO2=270nmで最もシャープになり、反射率が落ち込んでいる。短波長側のピークはブロードであるが、SiO2=350nmで形状が最もシャープになった。 When the peak is strengthened by interference, the shape of the peak becomes sharp. The peak on the long wavelength side is sharpest at SiO 2 = 270 nm, and the reflectance is lowered. The peak on the short wavelength side is broad, but the shape is sharpest at SiO 2 = 350 nm.
図13は、図11に示したモデルの鎖線Iの断面であって、鎖線IIで囲まれた部分のXZ面における電場Exの強度分布を示している。励起波長は630nmとし、誘電体層の厚さdを350nmとして計算した。図13のSiO2層の部分には、矢印を付してあり、強度の大きい領域を示している。 FIG. 13 is a cross section of the chain line I of the model shown in FIG. 11 and shows the intensity distribution of the electric field Ex on the XZ plane of the portion surrounded by the chain line II. The excitation wavelength was set to 630 nm and the thickness d of the dielectric layer was set to 350 nm. The portion of the SiO 2 layer in FIG. 13 is marked with an arrow, indicating a region with high strength.
図13をみると、XZ面の電場Exの分布において、SiO2層に電場の強い部分(矢印)が2つ存在している。すなわち、d=350nmでは、振幅の腹が2つの2次の干渉が生じていることが分かる。 Referring to FIG. 13, in the distribution of the electric field Ex on the XZ plane, there are two strong electric field portions (arrows) in the SiO 2 layer. That is, at d = 350 nm, it can be seen that the secondary interference occurs with two antinodes of amplitude.
したがって、d=350nmの場合は、MGの式で説明することができる。これに対して、薄膜干渉の式では、1次の場合、SiO2層の厚さd=630/(2×1.46)=
215.7(nm)、2次の場合、SiO2層の厚さd=2×630/(2×1.46)=431.5(nm)となるため、説明することができない。
Therefore, when d = 350 nm, it can be described by the MG equation. On the other hand, in the case of the first-order thin film interference formula, the thickness d = 630 / (2 × 1.46) = SiO 2 layer =
In the case of 215.7 (nm) and the second order, the thickness of the SiO 2 layer is d = 2 × 630 / (2 × 1.46) = 431.5 (nm), which cannot be explained.
表1の結果と図12及び図13から、長波長側のピークが薄膜干渉で強められ、短波長側のピークが、Maxwell−Garnettモデルの干渉により強められたと言うことができる。 From the results of Table 1 and FIGS. 12 and 13, it can be said that the peak on the long wavelength side was strengthened by thin film interference, and the peak on the short wavelength side was strengthened by interference of the Maxwell-Garnett model.
表1より、長波長側のピークが薄膜干渉で強められるときの誘電体層の厚さd2と、短波長側のピークがMaxwell−Garnettの効果により強められるときの誘電体層の厚さd1とは互いに異なることが分った。 From Table 1, the thickness d2 of the dielectric layer when the peak on the long wavelength side is strengthened by thin film interference, and the thickness d1 of the dielectric layer when the peak on the short wavelength side is strengthened by the effect of Maxwell-Garnett Found different from each other.
プラズモンの増強電場は、反射率の落ち込みが大きく、ピークが鋭いほど増強電場強度が高いと考えられるため、SiO2(誘電体層)の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たすと、強いSERS EFを得ることが可能になる。ここでは、d2=mdλs/2ndである。図12から、d2<d<d1の範囲、つまり263nm<d<350nmの範囲ではd=310nmが適していると考えられる。 The enhanced electric field of plasmon has a large drop in reflectivity, and it is considered that the stronger the electric field strength is, the sharper the peak is. Therefore, the thickness d of SiO 2 (dielectric layer) satisfies the relationship of d2 <d <d1. , Strong SERS EF can be obtained. Here is a d2 = m d λ s / 2n d. From FIG. 12, it is considered that d = 310 nm is suitable in the range of d2 <d <d1, that is, in the range of 263 nm <d <350 nm.
次に、d=310nm、d1=350nm、d2=270nmで、ニアフィールドの増強電場をFDTD計算で求めた。計算に用いたメッシュは、最小メッシュサイズ2nmである。増強度とSERS増強効果は表2のようになった。 Next, the near-field enhanced electric field was obtained by FDTD calculation with d = 310 nm, d1 = 350 nm, and d2 = 270 nm. The mesh used for the calculation has a minimum mesh size of 2 nm. Table 2 shows the enhancement and SERS enhancement effects.
表2をみると、d=310nmで最も高い増強効果を得られた。そのため、誘電体層の厚さdは、d2<d<d1を満たすようにすると高い増強度を得ることができることが判明した。ここで、d2=mdλi/2ndであり、より好ましくは、d2=mdλs/2ndである。 Table 2 shows that the highest enhancement effect was obtained at d = 310 nm. For this reason, it has been found that when the thickness d of the dielectric layer satisfies d2 <d <d1, a high enhancement can be obtained. Here, a d2 = m d λ i / 2n d, more preferably d2 = m d λ s / 2n d.
表3は、X200Y600D110T30d310のディメンジョンを有する光学素子に、波長が630nm、780nmの入射光を入射したときのFDTD計算による増強度(SQRT(Ex2+Ez2))を記載した。計算メッシュは最小メッシュサイズ1nmである。 Table 3 shows the increase in intensity (SQRT (Ex 2 + Ez 2 )) obtained by FDTD calculation when incident light having a wavelength of 630 nm and 780 nm is incident on an optical element having a dimension of X200Y600D110T30d310. The calculation mesh has a minimum mesh size of 1 nm.
なお、誘電体層の材質は、SiO2に限定されず、TiO2、Al2O3、ITOなどを用いることができる。これらの物質の屈折率nは、1.46以上3以下程度である。また、励起波長(入射光の波長λi)及びラマン散乱光の波長λsも限定されない。 The material of the dielectric layer is not limited to SiO 2 , and TiO 2 , Al 2 O 3 , ITO, etc. can be used. The refractive index n of these substances is about 1.46 or more and 3 or less. Further, the excitation wavelength (incident light wavelength λ i ) and the Raman scattered light wavelength λ s are not limited.
<実験例2>
本実験例は、誘電体層の材質をTiO2(屈折率2.71)とした場合の例である。図14は、Au/TiO2/Au X200Y500D80T30d150のモデルの反射スペクトルである。表4は、波長630nm、780nmにおいて、式(9)と式(10)より求めたTiO2の膜厚(厚さd)である。
<Experimental example 2>
In this experimental example, the dielectric layer is made of TiO 2 (refractive index: 2.71). FIG. 14 is a reflection spectrum of a model of Au / TiO 2 / Au X200Y500D80T30d150. Table 4 shows the film thickness (thickness d) of TiO 2 obtained from the equations (9) and (10) at wavelengths of 630 nm and 780 nm.
図14をみると、630nmと800nmに2つのピークがあることがわかる。2800cm-1に相当する波長は780nmなので、2800cm-1以上離れた2つのピークが得られている。これらの結果から、誘電体層の材質がTiO2であっても、本発明の効果が奏されることが分かり、誘電体層の材質は限定されないことが理解されよう。 FIG. 14 shows that there are two peaks at 630 nm and 800 nm. Since the wavelength corresponding to 2800 cm −1 is 780 nm, two peaks separated by 2800 cm −1 or more are obtained. From these results, it can be seen that even if the material of the dielectric layer is TiO 2 , the effect of the present invention is exhibited, and the material of the dielectric layer is not limited.
<実験例3>
図15は、FDTD計算をもとに、励起波長785nmに設計した、X200Y750D160T30d390のディメンジョンを有する光学素子の反射率スペクトルである。
<Experimental example 3>
FIG. 15 is a reflectance spectrum of an optical element having a dimension of X200Y750D160T30d390 designed to have an excitation wavelength of 785 nm based on FDTD calculation.
図15をみると、760nmと1020nmに2つのピークがあることがわかる。2800cm-1に相当する波長は1006nmなので、2800cm-1以上離れた2つのピークを得ることができた。また、760nmのピークは785nmもカバーしていることがわかる。いずれのピークにおいても、反射率は十分に小さく高い増強度を期待することができる。 FIG. 15 shows that there are two peaks at 760 nm and 1020 nm. A wavelength corresponding to 2800 cm -1 is so 1006Nm, it was possible to obtain two peaks separated 2800 cm -1 or more. It can also be seen that the peak at 760 nm covers 785 nm. At any peak, the reflectance is sufficiently small and high enhancement can be expected.
この結果から、本発明の構造においては、金属粒子のピッチ、サイズ、材質、誘電体種類、入射波長などは限定されず、増強度又は反射率の波長特性において、2800cm-1以上の波数差を持つ2つのピークを作ることができることが分かった。 From this result, in the structure of the present invention, the pitch, size, material, dielectric type, incident wavelength, etc. of the metal particles are not limited, and the wave number difference of 2800 cm −1 or more is obtained in the wavelength characteristic of the enhancement or reflectance. It turns out that two peaks can be made.
<実験例4>
本実験例では、Y方向のピッチYp(P2)を変化させ、PSP共鳴波長を調整する方法を示す。
短波長側のピークの波長は、LSP共鳴波長を変えることで調整することができる。LSP共鳴波長は、金属粒子層の金属粒子の種類、形状、直径、高さ、隣り合う金属粒子との距離(X方向(第1方向)の周期Xp(ピッチP1))、周囲の誘電率などに依存する。一方、長波長側のピークの波長は、LSP及びPSPの共鳴波長で決まる。Ypを変えると、SPP分散曲線の横軸である波数kを変えることになる。図16は、金属層をAuとし、誘電体層をSiO2又は空気とした場合の分散関係のグラフである。図16には、Au/空気(n=1)界面、Au/SiO2(n=1.46)界面に発生するSPP分散曲線及び対応するライトラインが描かれている。金属/誘電体層の界面に発生するSPP分散曲線は式(3)
KSPP=ωi/c[ε2・ε1(ωi)/(ε2+ε1(ωi))]1/2 ・・・(3)
(KSPPはSPの波数、ωiはSPPのエネルギー、cは光速、ε1(ωi)は金属の誘電率、ε2は誘電体層の誘電率であり、屈折率nを用いるとε2=n2である。)で与えられる。
式(3)は誘電体層の厚さを無限としているが、有限の厚さの誘電体層の場合、SPP分散曲線は金属/空気の界面のSPPと金属/誘電体層の界面のSPPの中間となる。誘電体層の厚さdが厚くなるにつれ、金属/誘電体の界面のSPP分散曲線に近づくことになり、すなわち、SPPの波長が長波長になる。
<Experimental example 4>
This experimental example shows a method of adjusting the PSP resonance wavelength by changing the Y-direction pitch Yp (P2).
The peak wavelength on the short wavelength side can be adjusted by changing the LSP resonance wavelength. The LSP resonance wavelength is the type, shape, diameter, height, distance between adjacent metal particles (period Xp (pitch P1) in the X direction (first direction)), surrounding dielectric constant, etc. Depends on. On the other hand, the peak wavelength on the long wavelength side is determined by the resonance wavelength of LSP and PSP. When Yp is changed, the wave number k which is the horizontal axis of the SPP dispersion curve is changed. FIG. 16 is a graph of the dispersion relationship when the metal layer is Au and the dielectric layer is SiO 2 or air. FIG. 16 shows SPP dispersion curves and corresponding light lines generated at the Au / air (n = 1) interface and the Au / SiO 2 (n = 1.46) interface. The SPP dispersion curve generated at the metal / dielectric layer interface is expressed by equation (3).
K SPP = ω i / c [ε 2 · ε 1 (ω i ) / (ε 2 + ε 1 (ω i ))] 1/2 (3)
(K SPP is the wave number of SP, ω i is the energy of SPP, c is the speed of light, ε 1 (ω i ) is the dielectric constant of the metal, and ε 2 is the dielectric constant of the dielectric layer. 2 = n 2 ).
Equation (3) assumes that the thickness of the dielectric layer is infinite, but for a dielectric layer of finite thickness, the SPP dispersion curve is the SPP of the metal / air interface and the SPP of the metal / dielectric layer interface. Intermediate. As the thickness d of the dielectric layer increases, the SPP dispersion curve at the metal / dielectric interface approaches, ie, the wavelength of the SPP becomes longer.
PSPはY方向(第2方向)に伝播するので、PSPの波数kはY方向の周期Yp(ピッチP2)で制御することができる。波数kとYpの関係は、
k=m*2π/Yp[nm]*100 ・・・(11)
で表せる(mは正の整数である。)。例えば、Yp=600nmのとき、m=2でk=2.09である。PSPの波数は垂直入射の場合、図16に示すように、縦軸に平行な線で表すことができる。図16の場合、Yp=600nmのとき、Au/SiO2の界面に発生するSPPの波長の範囲は625nmから900nmの間である(図16の矢印の範囲)。SiO2(誘電体層)の厚さdを変化させると、長波長側のピークを625nmから900nmの間で変化させることができる。しかし、SiO2(誘電体層)の厚さdを変化させると、干渉効果の条件から外れることがあるため、増強電場強度が強くならない場合がある。そのため、長波長側のピークの調整は、Ypを変化させて行うとよい。
Since the PSP propagates in the Y direction (second direction), the wave number k of the PSP can be controlled by the period Yp (pitch P2) in the Y direction. The relationship between wave number k and Yp is
k = m * 2π / Yp [nm] * 100 (11)
(M is a positive integer). For example, when Yp = 600 nm, m = 2 and k = 2.09. In the case of normal incidence, the wave number of PSP can be represented by a line parallel to the vertical axis, as shown in FIG. In the case of FIG. 16, when Yp = 600 nm, the wavelength range of SPP generated at the Au / SiO 2 interface is between 625 nm and 900 nm (the range of the arrow in FIG. 16). When the thickness d of SiO 2 (dielectric layer) is changed, the peak on the long wavelength side can be changed between 625 nm and 900 nm. However, if the thickness d of SiO 2 (dielectric layer) is changed, the strength of the enhanced electric field may not be increased because it may deviate from the condition of the interference effect. For this reason, the adjustment of the peak on the long wavelength side may be performed by changing Yp.
以上の通り、LSP共鳴波長を変えると、2本のピークは両方とも変化するので、PSP共鳴波長の調整は、Yp(ピッチP2)を変化させて行う。 As described above, when the LSP resonance wavelength is changed, both of the two peaks change. Therefore, the PSP resonance wavelength is adjusted by changing Yp (pitch P2).
試料分子に−CH2−、−CH3の構造がある場合、すなわち、メチレン基やメチル基がある場合には、これらの基のラマン散乱のピークは、主に2800cm-1〜3500cm-1の間にある。 -CH 2 the sample molecules -, - if there is a structure of CH 3, i.e., if there is a methylene group or a methyl group, a peak of the Raman scattering of these groups are mainly 2800cm -1 ~3500cm -1 between.
金属層をAuとし、誘電体層の材質をSiO2のとした場合、600nm〜1100nmの波長の入射光による励起で、ラマンシフトが2500cm-1〜3500cm-1を検出するためのYp(ピッチP2)の条件は、以下のようになる。 When the metal layer is Au and the material of the dielectric layer is SiO 2 , Yp (pitch P2) for detecting a Raman shift of 2500 cm −1 to 3500 cm −1 by excitation with incident light having a wavelength of 600 nm to 1100 nm. ) Is as follows.
480nm<Yp<1840nm
この480nmという下限値は、励起波長600nmで2500cm-1の散乱波長748nmを検出できる条件である。Au/SiO2界面のSPP分散曲線から、k=2.58、Yp=486nmである。
480 nm <Yp <1840 nm
This lower limit of 480 nm is a condition under which a scattering wavelength of 748 nm of 2500 cm −1 can be detected at an excitation wavelength of 600 nm. From the SPP dispersion curve of the Au / SiO 2 interface, k = 2.58 and Yp = 486 nm.
また上限値1840nmは、励起波長1100nmで3500cm-1の散乱波長1815nmを検出できる条件である。Au/SiO2界面のSPP分散曲線から、k=0.68、Yp=1837nmである。 The upper limit of 1840 nm is a condition under which a scattering wavelength of 1815 nm at 3500 cm −1 can be detected at an excitation wavelength of 1100 nm. From the SPP dispersion curve of the Au / SiO 2 interface, k = 0.68 and Yp = 1737 nm.
また、本実験例の光学素子の構造は、X方向にPSPが発生しないようにすることができる。PSPが伝播しない条件は、励起波長をλとすると、Xp<λ/2である。励起波長を1064nmとする場合には、λ=1064nmでXp=532nmであり、励起波長が1064nm以下の光学素子であれば、Xp<535nmとすればよいことが分かる。Xpの下限は特に限定されないが、LSPを発生させることから、金属粒子の直径を5nm、金属粒子間の距離(間隔又はギャップ)を1nmとすれば、Xp=6nmを下限とすることができる。このようにすれば、1100nm未満の波長λiの入射光を用いて、大きいラマンシフトを示す試料を測定する際に、入射光及びラマン散乱光の両者を十分に増強することができることが分かる。 Further, the structure of the optical element of this experimental example can prevent PSP from occurring in the X direction. The condition that PSP does not propagate is Xp <λ / 2, where λ is the excitation wavelength. When the excitation wavelength is 1064 nm, Xp = 532 nm at λ = 1064 nm, and if the excitation wavelength is 1064 nm or less, it can be understood that Xp <535 nm. Although the lower limit of Xp is not particularly limited, since LSP is generated, if the diameter of the metal particles is 5 nm and the distance (interval or gap) between the metal particles is 1 nm, Xp = 6 nm can be set as the lower limit. In this way, it can be seen that both incident light and Raman scattered light can be sufficiently enhanced when a sample exhibiting a large Raman shift is measured using incident light having a wavelength λ i of less than 1100 nm.
上記各実験例において金属層及び金属粒子は、Au、Agを例示しているが、Au、Ag、Cu、Al、又は、それらの合金等を採用しても同様である。また、上記実験例において金属粒子の配置は、GSPPモデルとしているが、D2PA(Disk−coupled dots−on−pillar antenna model)であっても同様である。また、上記実験例において金属粒子の形状を円柱状として例示しているが、半球状、角柱状などいずれの形状であっても同様である。さらに、上記実験例において励起波長は、633nm、785nmについて例示しているが、その他の励起波長に対しても同様に適用することができる。 In each of the above experimental examples, the metal layer and the metal particles are exemplified by Au and Ag, but the same applies even when Au, Ag, Cu, Al, or an alloy thereof is employed. In the above experimental example, the arrangement of the metal particles is the GSPP model, but the same applies to D2PA (Disk-coupled dots-on-pillar antenna model). In the above experimental example, the shape of the metal particles is exemplified as a columnar shape, but the same applies to any shape such as a hemispherical shape or a prismatic shape. Furthermore, in the above experimental example, the excitation wavelengths are exemplified for 633 nm and 785 nm, but the same can be applied to other excitation wavelengths.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment. In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
1…基板、10…金属層、20…誘電体層、30…金属粒子層、40…金属粒子、41…金属粒子列、100…光学素子、300…光源、400…検出器、1000…分析装置、2000…電子機器、2010…演算部、2020…記憶部、2030…表示部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 10 ... Metal layer, 20 ... Dielectric layer, 30 ... Metal particle layer, 40 ... Metal particle, 41 ... Metal particle row | line | column, 100 ... Optical element, 300 ... Light source, 400 ... Detector, 1000 ... Analyzer , 2000 ... electronic device, 2010 ... calculation unit, 2020 ... storage unit, 2030 ... display unit
Claims (12)
前記金属粒子層は、前記金属粒子が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列を有し、当該金属粒子列は、前記第1方向と交差する第2方向に、前記ピッチP1よりも大きいピッチP2で複数並び、
前記誘電体層の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たし、
前記第1方向と同じ方向の直線偏光光であって、波長λiの入射光が照射される、光学素子。
[ここで、d2は、mdλi/2nd(md=1、ndは前記誘電体層の屈折率を表す。)を表し、d1は、波長λiにおける前記金属粒子層の誘電率を、Maxwell−Garnettの式で得られる実効誘電率で与えた際に、前記光学素子の前記金属層、前記誘電体層及び前記金属粒子層を含む構造において生じる2次の干渉によって強め合う条件を満たす前記誘電体層の厚さであって、d2<d1を満たす。] A metal layer, a dielectric layer provided on the metal layer, and a metal particle layer provided on the dielectric layer and arranged with metal particles,
The metal particle layer has a metal particle array in which a plurality of the metal particles are arranged at a pitch P1 in a first direction, and the metal particle array is formed from the pitch P1 in a second direction intersecting the first direction. Are arranged at a large pitch P2,
The thickness d of the dielectric layer satisfies the relationship d2 <d <d1,
An optical element that is irradiated with incident light having a wavelength λ i that is linearly polarized light in the same direction as the first direction.
[Wherein, d2 is, m d λ i / 2n d (m d = 1, n d represents. A refractive index of the dielectric layer) represents, d1, the dielectric of the metal particle layer at the wavelength lambda i When the ratio is given by the effective dielectric constant obtained by the Maxwell-Garnett equation, a condition that reinforces by secondary interference generated in the structure including the metal layer, the dielectric layer, and the metal particle layer of the optical element And the thickness of the dielectric layer satisfying d2 <d1. ]
前記金属粒子層は、前記金属粒子が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列を有し、当該金属粒子列は、前記第1方向と交差する第2方向に、前記ピッチP1よりも大きいピッチP2で複数並び、
前記誘電体層の厚さdは、d2<d<d1の関係を満たし、
前記第1方向と同じ方向の直線偏光光であって、波長λiの入射光が照射される、光学素子。
[ここで、d2は、mdλs/2nd(md=1、λsは波長λiの入射光を照射した際のラマン散乱波長、ndは前記誘電体層の屈折率を表す。)を表し、d1は、波長λiにおける前記金属粒子層の誘電率を、Maxwell−Garnettの式で得られる実効誘電率で与えた際に、前記光学素子の前記金属層、前記誘電体層及び前記金属粒子層を含む構造において生じる2次の干渉によって強め合う条件を満たす前記誘電体層の厚さであって、d2<d1を満たす。] A metal layer, a dielectric layer provided on the metal layer, and a metal particle layer provided on the dielectric layer and arranged with metal particles,
The metal particle layer has a metal particle array in which a plurality of the metal particles are arranged at a pitch P1 in a first direction, and the metal particle array is formed from the pitch P1 in a second direction intersecting the first direction. Are arranged at a large pitch P2,
The thickness d of the dielectric layer satisfies the relationship d2 <d <d1,
An optical element that is irradiated with incident light having a wavelength λ i that is linearly polarized light in the same direction as the first direction.
[Wherein, d2 is, m d λ s / 2n d (m d = 1, λ s is the Raman scattering wavelength when irradiated with incident light of wavelength lambda i, the n d represents the refractive index of the dielectric layer ), And d1 represents the metal layer and the dielectric layer of the optical element when the dielectric constant of the metal particle layer at the wavelength λ i is given by the effective dielectric constant obtained by the Maxwell-Garnett equation. And a thickness of the dielectric layer that satisfies a strengthening condition by secondary interference generated in the structure including the metal particle layer, and satisfies d2 <d1. ]
前記ラマン散乱波長λs及び前記入射光の波長λiは、
2500cm-1≦(1/λi−1/λs)<3500cm-1
の関係を満たす光学素子。 In claim 2,
The Raman scattering wavelength λ s and the incident light wavelength λ i are:
2500 cm −1 ≦ (1 / λ i −1 / λ s ) <3500 cm −1
An optical element that satisfies the above relationship.
前記誘電体層の厚さdは、60nm以上である、光学素子。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The thickness d of the said dielectric material layer is an optical element which is 60 nm or more.
前記誘電体層の厚さdは、145nm以上である、光学素子。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
An optical element having a thickness d of the dielectric layer of 145 nm or more.
前記誘電体層の材質は、SiO2である、光学素子。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
An optical element in which the material of the dielectric layer is SiO 2 .
前記ピッチP1は、6nm<P1<535nmを満たす、光学素子。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
The pitch P1 is an optical element satisfying 6 nm <P1 <535 nm.
前記金属層の材質は、Auであり、
前記ピッチP2は、480nm<P2<1840nmを満たす、光学素子。 In any one of Claims 1 thru | or 7,
The material of the metal layer is Au,
The pitch P2 is an optical element satisfying 480 nm <P2 <1840 nm.
前記金属粒子の材質は、Au又はAgである、光学素子。 In any one of Claims 1 thru | or 8,
An optical element in which the material of the metal particles is Au or Ag.
前記入射光の波長λiは、630nm以上1070nm以下である、光学素子。 In claim 8,
The optical element having a wavelength λ i of the incident light of 630 nm to 1070 nm.
前記光学素子に前記入射光を照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
を備えた、分析装置。 The optical element according to any one of claims 1 to 10,
A light source for irradiating the optical element with the incident light;
A detector for detecting light emitted from the optical element;
Analytical device equipped with.
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