English

 

発表・掲載日:2002/09/09

直径20ナノメートルの3次元銀ナノ粒子集合体の光ディスク上への均一成膜に成功

- 光電場増強効果を発揮し、超高密度光記録に応用可能 -

ポイント

  • 常温で20-30nmの均一な銀ナノ粒子・ナノワイヤーを5分程度で均一形成
  • これまで真空成膜では不可能であった3次元的なナノ粒子形成が可能
  • 加熱処理が不用なことにより低融点材料表面上への成膜も可能
  • 次世代超高密度光記録のナノピットからの光電場増強読み出しや、フォトニック結晶等への応用が広く期待される

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【 理事長 吉川 弘之 】(以下「産総研」という)次世代光工学研究ラボ【ラボ長 富永 淳二】は、酸化銀薄膜を真空中で水素雰囲気還元することによって、20-30nmの均一直径を有する銀ナノ粒子およびナノワイヤー集合体を、ポリカーボネート製光ディスク基板上に3次元的に形成する技術を開発した。

 従来の銀ナノ粒子・ナノワイヤー作製には、水溶液中で銀イオンを凝集させ加熱生成する方法、あるいは真空蒸着法により基板表面に2次元の島状構造を作製した後、熱処理を行う方法などが一般的に行われてきた。しかしながら、凝集ムラの発生や2次元島状構造の不均一性によって広面積に均一形成できないこと、さらにはプラスチック等の低融点材料表面上に成膜できないことなどで、銀ナノ粒子を用いる光デバイスの利用が制限されてきた。

 今回、産総研 次世代光工学研究ラボ が開発した「酸化銀薄膜の真空水素雰囲気還元処理法」は、酸化銀が成膜された基板を加熱することなく、常温で20-30nmの均一な銀ナノ粒子・ナノワイヤーを5分程度で均一形成できる。さらに、これまで真空成膜では不可能であった3次元的なナノ粒子形成が可能であることから、次世代の超高密度光記録のナノピットからの光電場増強読み出しや、フォトニック結晶等への応用が広く期待される。

 なお、本研究の詳細な実験結果は、2002年9月16日~19日にわたってスイスで開催される「マイクロ、ナノ工学国際会議(Micro- and Nano-Engineering 2002:MNE 2002)」にて発表する予定である。



研究の背景と経緯

 貴金属ナノ粒子・ナノワイヤーは、「化学反応を促進する触媒」「単一電子を利用する次世代電子デバイス」あるいは「ナノ粒子表面に発生する局在プラズモン光と呼ばれる電場増強を利用した光デバイス」への応用が期待されている。合成法としては、化学的には水素還元法(金属錯体を水溶液中で凝集させ加熱生成する方法)、物理的には真空蒸着法(真空成膜初期の2次元の島状構造を利用して熱処理を行う方法)が一般的である。しかしながら、これらの合成法には、水溶液中で水素還元した後でナノ粒子を目的とする材料表面にコーティングする場合、部分的に凝集が発生し均一に形成できないことや、島状構造を2次元的に形成できても3次元的に積層できない等の問題があり、短時間でしかも広面積に形成するためには多くの課題があった。

 今回、産総研 次世代光工学研究ラボ が開発した新技術は、次世代の超高密度光記録において利用されるナノピット(ナノメーター径の微小ピット)からの微弱信号を、銀ナノ粒子あるいはナノワイヤー間に発生する強力な電場増強(局在プラズモン増強効果)を利用して増幅し、信号再生を可能にすることを目的として開発されたものである。

研究の内容

 新技術による銀ナノ粒子およびナノワイヤーの形成には、真空成膜法によって作製した酸化銀薄膜を用いた。酸化銀薄膜は、近年スーパーレンズと呼ばれる超高密度光ディスクの読み出し層として研究開発が行われているものである。酸化銀薄膜の組成は、成膜時の酸素ガス流量によって制御可能であり、銀を多く含むものから酸素を多く含む組成を簡単に合成できる。酸化銀薄膜を成膜する基板には、Si、SiO2、ポリカーボネート製光ディスク基板を用いた。真空成膜法で作製した酸化銀薄膜(膜厚約100-200nm)を、反応性イオンエッチング装置とよばれる真空容器に設置し、水素と酸素のガス流量比を変化させながら酸化銀薄膜の水素還元条件を検討した。なお、このとき水素還元に先立って、真空容器を一旦フッ素を含む反応性ガスで前処理している。

 酸化銀薄膜をSi基板上に200nm成膜した後、水素と酸素の混合比率を3:1に設定し、5分間の水素還元処理を行った実験結果の走査型電子顕微鏡写真を【図1】に示す。本電子顕微鏡写真および光学的な銀のプラズモン共鳴吸収が確認できたことから、酸化銀の水素還元によって銀ナノ粒子が3次元的に形成できたことを確認した。

水素-酸素比(3:1)で5分間還元処理を行った銀ナノ粒子集合体の画像
図1 水素-酸素比(3:1)で5分間還元処理を行った銀ナノ粒子集合体
【 3次元的に銀ナノ粒子が均一に凝集していることが確認できる 】
【 ナノ粒子の直径は均一で20nm~30nmである 】(右下は拡大写真)

 つぎにポリカーボネート製光ディスク基板上に、DVD等の光ディスク用に用いられる誘電体材料を20nm成膜した後、同様に酸化銀薄膜を100nm成膜し、約2分間の水素還元を行った結果を【図2】に示す。この時、水素と酸素流量比を4:1とした。光ディスクの記録面の半径約25mmから55mmにわたって均一にナノワイヤーが形成できた。ナノワイヤーの直径は約30nm。ワイヤー間は10nm程度のスペースをもっており、強力な光電場増強効果が期待できる。

水素-酸素比(4:1)で約2分間還元処理を行った光ディスク基板表面の画像
図2 水素-酸素比(4:1)で約2分間還元処理を行った光ディスク基板表面
【 銀ナノワイヤーが形成していることが確認できる 】
【 ナノワイヤーの直径は均一で、約30nmである 】(右下は拡大写真)

 前述の条件で作製した光ディスク上に、実際に赤色レーザーで記録を行い、ナノワイヤー間に発生する局在プラズモン光を利用して微小記録マークの読み出し特性を評価した。但し、作製した光ディスクには、ディスク表面に誘電体と銀ナノワイヤー膜のみで記録層はない。成膜した光ディスクの写真と、記録部分の電子顕微鏡写真を【図3】に示す。200nmのマーク記録部分は、ナノワイヤー密度が変化していることが確認できる。記録した信号を読み出したところ、0.5mW程度の低パワーにおいても、光の回折限界より小さい200nmのマーク信号が高感度で読み出せることが確認できた。これは従来のスーパーレンズの読み出しレーザー強度である4.0mWの約1/8で、最適読み出しパワーも2.0-2.5mWに低減できることが確認できた。

水素-酸素比で約2分間還元処理を行った光ディスクに、
200nm径の光記録を行った後のSEM像の画像
図3 水素-酸素比(4:1)で約2分間還元処理を行った光ディスク(a)に、
200nm径の光記録を行った後のSEM像(b)(右下は拡大写真)
【 記録した部分のナノワイヤー密度が上がっている 】

 以上の結果が示すように、酸化銀薄膜の真空水素雰囲気還元処理法は、短時間(5分以下)で、かつ広面積に銀ナノ粒子・ナノワイヤーを安定に供給できる技術であり、今後の応用が期待できる。

今後の課題

 本成果によって、銀ナノ粒子およびナノワイヤーの3次元形成が可能となったが、将来の超高密度光記録、フォトニック結晶への応用において、粒子およびワイヤーの配向制御やナノ粒子結晶制御技術が必要となるであろう。今後はこうした課題をクリアする必要がある。


用語の説明

◆水素雰囲気還元
水素ガスを用いて金属酸化物から酸素を分離し、金属を生成する方法。[参照元へ戻る]
◆ナノピットからの光電場増強読み出し
光記録では、100nm以下の記録ピットを通常の方法では読み出すことはできない。このため、読み出そうとする微小なピットのみに、強力に光を散乱させるように構造を変化させ、その散乱光を信号として再生する方法。[参照元へ戻る]
◆フォトニック結晶
金属や誘電体などは、その結晶構造がもつ原子間の規則的な結合特性によって電子の振動特性が変化し、特有の色や電気特性をもつ。電子の代わりに光にこうした特性を持たせるために、人工的に作成した結晶をいう。[参照元へ戻る]
◆局在プラズモン光
金属と誘電体膜界面に発生する表面電場の一種。全体には拡散せず、表面上の微小な突起部等に発生する。[参照元へ戻る]
◆強力な電場増強(局在プラズモン増強効果)
先端が尖った金属では電場が集中しやすい。この特性を利用して先鋭化した金属同士をナノメーター領域まで接近させると「テレビアンテナ」のようにさらなる電場増強効果が生じる。このように局所的に発生する電場を局在プラズモン増強効果と呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆スーパーレンズ
1998年に工業技術院産業技術融合領域研究所(現:産総研)が発明した、100nm径以下の記録マークを光学的に読み出すことを可能にする光ディスクにおける超解像技術。
Super-Resolution Near-field Structure (Super-RENS)の略称。[参照元へ戻る]
◆反応性イオンエッチング装置
半導体デバイス作製等に利用される真空加工装置。真空容器内に化学反応性ガスを導入することにより、基板表面に形成した誘電体や金属を取り除くために用いる。[参照元へ戻る]
◆光学的な銀のプラズモン共鳴吸収
一般に金属の反射率を光の波長を変化させながら測定すると、ある波長以下では急激に反射率が低下する。これは金属表面上の電子が光を吸収するためによって発生する。銀においては326nm付近の波長に特徴的な光吸収がある。これを銀のプラズモン共鳴吸収と呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆光電場増強効果
銀のプラズモン共鳴効果によって電子振動となって奪われた光のエネルギーを、局所的に集中させ(先端が尖った金属片等を用いることで)、その局所部分の光を増強することをいう。[参照元へ戻る]


お問い合わせ

お問い合わせフォーム

▲ ページトップへ

国立研究開発法人産業技術総合研究所