JP3372077B2 - Nonlinear optical thin film - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学材料用の微
粒子分散複合薄膜に関し、光スイッチや光波長変換素子
等、光情報分野において用いられる、強誘電性材料ある
いは高誘電性材料のマトリックス中に金属の微粒子を分
散析出させた非線形光学材料の薄膜に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine particle dispersed composite thin film for a non-linear optical material, in a matrix of a ferroelectric material or a high dielectric material used in the field of optical information such as an optical switch and an optical wavelength conversion element. The present invention relates to a thin film of a nonlinear optical material in which metal fine particles are dispersed and deposited.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体超微粒子を分散させたガラス等
や、金属微粒子を分散させたガラスやコロイド溶液等
は、比較的大きな非線形光学特性を示すことが報告され
ている。これらのうち、微粒子を分散させるマトリック
スとしては、一般に石英ガラス、多成分ガラス、高分子
材料等が用いられている。2. Description of the Related Art It has been reported that glass or the like in which semiconductor ultrafine particles are dispersed, glass or colloidal solution in which metal fine particles are dispersed exhibit relatively large non-linear optical characteristics. Of these, quartz glass, multi-component glass, polymer materials, etc. are generally used as the matrix in which the fine particles are dispersed.
【0003】例えば金微粒子を含有したガラスは従来か
ら‘金赤ガラス’と呼ばれ、赤色ガラスの一つとしてよ
く知られた材料である。このガラスは0.01wt% 程度
の金を含有させて一旦溶融し、その後、熱処理を施して
発色させて造られる。For example, glass containing fine gold particles is conventionally called “gold red glass” and is a well-known material as one of red glasses. This glass is made by containing about 0.01 wt% of gold, melting it once, and then heat treating it to develop a color.
【0004】報告されている金赤ガラスの3次の非線形
感受率χ(3) の値は10-11esu程度であり、この値は必
ずしも大きくない。低い値となる理由はガラス中の金の
体積分率が10-5程度の低濃度分散であるためと考えら
れる。従って、非線形感受率を高めるためには金微粒子
濃度を高めることが一つの方法であると考えられるが、
溶融法で作製する場合、溶解度の制限により高濃度化に
は限界がある。The reported third-order nonlinear susceptibility χ (3) of gold-red glass is about 10 -11 esu, and this value is not necessarily large. It is considered that the reason for the low value is that the volume fraction of gold in the glass is a low concentration dispersion of about 10 −5 . Therefore, increasing the concentration of fine gold particles is considered to be one way to increase the nonlinear susceptibility.
In the case of manufacturing by the melting method, there is a limit to increase the concentration due to the limitation of solubility.
【0005】この問題を解決するために、高濃度化と組
成制御が比較的容易であるスパッタリング法やイオン注
入法についての提案が、次世代産業基盤技術・第2回光
電子材料シンポジウム予稿集P139−147,199
1や、特開平3−294829号公報になされている。
前者はスパッタリングやイオン注入法でSiO2 ガラス
マトリックス中にAu微粒子を分散させたものであり、
後者はSiO2 ガラス薄膜と島状成長させたAu、A
g、Cuの金属微粒子とを交互に積層したものである。
このような金属微粒子分散ガラスは、分散させた金属微
粒子の表面プラズモンの励起と量子サイズ効果で大きな
非線形性が発現し、高いχ(3) 値が得られるものである
と考えられている。In order to solve this problem, a proposal for a sputtering method or an ion implantation method, which makes it possible to increase the concentration and control the composition relatively easily, was made in the next generation industrial technology / second optoelectronic material symposium proceedings P139-. 147,199
1 and JP-A-3-294829.
The former is one in which Au fine particles are dispersed in a SiO 2 glass matrix by sputtering or ion implantation.
The latter is made of Au and A grown in the shape of islands with a SiO 2 glass thin film.
g and Cu metal fine particles are alternately laminated.
It is considered that such a glass with dispersed metal fine particles exhibits a large non-linearity due to the excitation of surface plasmons of the dispersed metal fine particles and the quantum size effect, and a high χ (3) value can be obtained.
【0006】このようにして得られた金属微粒子分散ガ
ラスは、一般に700〜1000℃程度の熱処理によ
り、可視吸収スペクトルのピーク、すなわちプラズマ共
鳴吸収ピーク位置が長波長側にわずかにシフトすること
が知られている。このピーク波長がシフトする程度やピ
ークの波形は、熱処理温度や熱処理時間により異なり、
金属微粒子の生成、成長の程度の差によると考えられて
いる。It is known that the glass obtained by dispersing metal fine particles thus obtained generally undergoes a heat treatment at about 700 to 1000 ° C. so that the peak of the visible absorption spectrum, that is, the plasma resonance absorption peak position, slightly shifts to the long wavelength side. Has been. The extent to which the peak wavelength shifts and the waveform of the peak differ depending on the heat treatment temperature and heat treatment time,
It is believed that this is due to the difference in the generation and growth of the metal fine particles.
【0007】本発明者らは、特願平4−151588号
公報および特願平4−311232号公報中で、強誘電
性ないし高誘電性のマトリックス中に金属の微粒子を少
なくとも1種含む非線形光学薄膜を提案している。この
提案では、基板上に直接、金属微粒子材料とマトリック
ス材料を、例えば同時スパッタリング法等によって、成
膜する。次いで、成膜後の熱処理によりマトリックスの
グレインが形成され、そのグレインが成長することで、
金属微粒子のマトリックス中での結晶性が向上するとと
もに、金属微粒子のマトリックス中での3次元的な分散
性も向上し、さらに金属微粒子の結晶粒径分布も均一化
すると考えられる。これと、金属微粒子が誘電率εの高
いマトリックス中に分散されていることから生じる何ら
かの相互作用により、10-7esu をこえる高いχ(3) 値
が得られる。The inventors of the present invention have disclosed, in Japanese Patent Application No. 4-151588 and Japanese Patent Application No. 4-31132, nonlinear optics containing at least one kind of metal fine particles in a ferroelectric or high-dielectric matrix. We propose a thin film. In this proposal, the metal fine particle material and the matrix material are directly formed on the substrate by, for example, the simultaneous sputtering method. Then, by heat treatment after film formation, the grains of the matrix are formed, and the grains grow,
It is considered that the crystallinity of the metal fine particles in the matrix is improved, the three-dimensional dispersibility of the metal fine particles in the matrix is improved, and the crystal particle size distribution of the metal fine particles is made uniform. A high χ (3) value exceeding 10 -7 esu can be obtained by this and some interaction caused by the fact that the metal fine particles are dispersed in the matrix having a high dielectric constant ε.
【0008】その上、前記熱処理条件を選択すること
で、プラズマ共鳴吸収ピーク位置を大きくシフトさせる
ことができる。このプラズマ共鳴吸収ピーク位置を制御
することにより、使用レーザの選択の巾を広げることが
できるため、その効果は大きい。Moreover, by selecting the heat treatment conditions, the plasma resonance absorption peak position can be greatly shifted. By controlling the plasma resonance absorption peak position, the range of selection of the laser used can be widened, and the effect is great.
【0009】しかし、プラズマ共鳴吸収ピーク位置の調
整は、熱処理温度および熱処理時間の選択により行って
おり、現状ではこのピーク位置を所望の波長に精密に微
調整することは難しい。そのため、さらに微調整する技
術の開発が要望されている。However, the plasma resonance absorption peak position is adjusted by selecting the heat treatment temperature and the heat treatment time, and at present, it is difficult to finely finely adjust the peak position to a desired wavelength. Therefore, there is a demand for the development of a technique for fine adjustment.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、金属微粒子をマトリクス中に分散させた非線形光学
薄膜に関し、このプラズマ共鳴吸収波長位置の波長シフ
ト巾をさらに広げることができ、所望の励起波長に微調
整することのできる非線形光学薄膜を提供することにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention relates to a nonlinear optical thin film in which metal fine particles are dispersed in a matrix, and the wavelength shift width of the plasma resonance absorption wavelength position can be further widened to achieve a desired excitation. It is to provide a non-linear optical thin film that can be finely adjusted to the wavelength.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(9)の本発明により達成される。
(1) 強誘電性あるいは高誘電性のマトリックスとし
て、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化物のマ
トリックス中に金属微粒子の少なくとも1種が分散され
ており、その上部側および/または下部側の表面部の前
記金属微粒子の含有率が中央部より低い非線形光学薄
膜。
(2) 強誘電性あるいは高誘電性のマトリックスとし
て、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化物のマ
トリックス中に金属微粒子の少なくとも1種を分散した
中央層を成膜するとともに、その上部および/または下
部に接して強誘電性あるいは高誘電性の材料の表面層と
して、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化物の
表面層を成膜した非線形光学薄膜。
(3) 強誘電性のマトリックスとして、ペロブスカイ
ト型化合物のマトリックスあるいは高誘電性のマトリッ
クスとして、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸
化物のマトリックス中に金属微粒子の少なくとも1種を
分散した中央層を成膜するとともに、その上部および/
または下部に接して強誘電性の材料の表面層として、ペ
ロブスカイト型化合物の表面層あるいは高誘電性の材料
の表面層として、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複
合酸化物の表面層を成膜し、前記表面層は、前記金属微
粒子を前記中央層より少ない含有率で含有する非線形光
学薄膜。
(4) 前記表面層は前記金属微粒子を含有しない上記
(2)の非線形光学薄膜。
(5) 前記成膜をスパッタリング法によって行なう上
記(2)〜(4)のいずれかの非線形光学薄膜。
(6) 前記強誘電性のマトリックスおよび/または材
料は酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化物であ
る上記(3)の非線形光学薄膜。
(7) 前記金属微粒子は薄膜全体に1〜80vol%含有
される上記(1)〜(6)のいずれかの非線形光学薄
膜。
(8) 前記金属微粒子がAu、Ag、Cuまたはその
合金である上記(1)〜(7)のいずれかの非線形光学
薄膜。
(9) さらに熱処理を施した上記(2)〜(8)のい
ずれかの非線形光学薄膜。The above objects are achieved by the present invention described in (1) to (9) below. (1) As a ferroelectric or high-dielectric matrix, at least one kind of metal fine particles is dispersed in a matrix of titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide, and the surface on the upper side and / or the lower side thereof. Non-linear optical thin film in which the content of the fine metal particles in the central part is lower than that in the central part. (2) As a ferroelectric or high-dielectric matrix, a central layer in which at least one kind of metal fine particles is dispersed in a matrix of titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide is formed, and the upper portion and / or A nonlinear optical thin film in which a surface layer of titanium oxide or a complex oxide containing titanium oxide is formed as a surface layer of a ferroelectric or high-dielectric material in contact with the lower part. (3) As a ferroelectric matrix, a perovskite-type compound matrix or a high-dielectric matrix is used to form a central layer in which at least one kind of metal fine particles is dispersed in a matrix of titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide. Membrane and its top and /
Or in contact with the lower part, as a surface layer of a ferroelectric material, a surface layer of a perovskite compound or a surface layer of a highly dielectric material, a surface layer of titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide is formed, The surface layer is a non-linear optical thin film containing the metal fine particles in a content ratio lower than that of the central layer. (4) The non-linear optical thin film according to (2), wherein the surface layer does not contain the metal fine particles. (5) The nonlinear optical thin film according to any one of (2) to (4), wherein the film formation is performed by a sputtering method. (6) The nonlinear optical thin film according to (3), wherein the ferroelectric matrix and / or the material is titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide. (7) The nonlinear optical thin film according to any one of the above (1) to (6), wherein the metal fine particles are contained in an amount of 1 to 80 vol% in the entire thin film. (8) The nonlinear optical thin film according to any one of (1) to (7), wherein the metal fine particles are Au, Ag, Cu or an alloy thereof. (9) The nonlinear optical thin film according to any one of (2) to (8), which is further heat-treated.
【0012】[0012]
【作用】非線形光学特性をもつ薄膜のうち、前記本発明
者等が提案した誘電率の高い材料のマトリックスを用い
たものは、マトリックスの粒成長に伴い、金属微粒子が
3次元的に閉じ込められた結果、例えば金属微粒子の表
面プラズモンの励起と量子サイズ効果とで現れる3次の
非線形感受率χ(3) の値は10-6esu 以上と、従来と比
較して大きな値が得られる。Among thin films having nonlinear optical characteristics, those using a matrix of a material having a high dielectric constant proposed by the present inventors have three-dimensionally confined fine metal particles as the matrix grows. As a result, for example, the value of the third-order nonlinear susceptibility χ (3) that appears due to the excitation of the surface plasmons of the metal fine particles and the quantum size effect is 10 −6 esu or more, which is a large value compared with the conventional one.
【0013】さらに、このような誘電率の高い材料のマ
トリックスを用いた薄膜を成膜後、熱処理することで、
プラズマ共鳴吸収ピーク位置を大きくシフトさせること
ができる。このとき、熱処理温度と熱処理時間を制御す
ることで金属微粒子およびマトリックスの結晶性が変化
することから、プラズマ共鳴吸収ピーク位置を調整する
ことが可能である。Further, by forming a thin film using a matrix of such a material having a high dielectric constant and then heat treating it,
The plasma resonance absorption peak position can be greatly shifted. At this time, since the crystallinity of the metal fine particles and the matrix is changed by controlling the heat treatment temperature and the heat treatment time, it is possible to adjust the plasma resonance absorption peak position.
【0014】このような効果は、誘電率の高いマトリッ
クス材料と金属微粒子との何らかの相互作用が働くため
で、金属微粒子と誘電率の高いマトリックス材料との接
触面が増え、金属微粒子がマトリックス材料により密に
覆われるとこのような効果が高まると考えられる。Such an effect is due to some interaction between the matrix material having a high dielectric constant and the metal fine particles, so that the contact surface between the metal fine particles and the matrix material having a high dielectric constant is increased, and the metal fine particles are formed by the matrix material. It is considered that such an effect is enhanced when it is densely covered.
【0015】本発明では、これまで誘電率の高いマトリ
ックス材料とは接触しにくかった薄膜表面および/また
は基板接触面に存在する金属微粒子をも、誘電率の高い
材料のマトリックス中に効果的に閉じこめるため、さら
にこのような効果を高めることができる。このとき、金
属微粒子をマトリックス中に閉じこめる程度を制御する
ことで、このような効果の微調整が可能となる。According to the present invention, even the fine metal particles present on the surface of the thin film and / or the contact surface of the substrate, which have been hard to contact with the matrix material having a high dielectric constant, can be effectively trapped in the matrix of the material having a high dielectric constant. Therefore, such an effect can be further enhanced. At this time, such effect can be finely adjusted by controlling the degree to which the metal fine particles are trapped in the matrix.
【0016】[0016]
【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。Specific Structure The specific structure of the present invention will be described in detail below.
【0017】本発明の非線形光学薄膜は、基板上に、強
誘電体あるいは高誘電体のマトリックス中に金属微粒子
を分散させたものを成膜したもので、これを中央層とし
て、その表面(上部)および/または基板界面(下部)
側に、それと連続して金属微粒子の含有率が段階的にま
たは連続的に低下する部分、さらには金属微粒子を含ま
ない部分を前記表面および基板界面のうちのいずれかま
たは両方にもつものである。これは、前記中央層の表面
の一方または両方を、好ましくはマトリックス材料で被
覆することで実現してもよい。この場合、前記段階的に
とは、1段階のみでなく、少なくとも2段階以上の金属
微粒子の含有率の変化部分をもつことを含む。The non-linear optical thin film of the present invention is formed by depositing metal fine particles in a ferroelectric or high-dielectric matrix on a substrate, and using this as a central layer, its surface (upper part). ) And / or substrate interface (bottom)
On the side, a portion in which the content of the metal fine particles decreases continuously or continuously in a continuous manner, and further, a portion not containing the metal fine particles is provided on either or both of the surface and the substrate interface. . This may be achieved by coating one or both surfaces of the central layer, preferably with a matrix material. In this case, the term “stepwise” includes not only one step but also a step of changing the content rate of the metal fine particles in at least two steps or more.
【0018】前記特開平3−294829号公報では、
島状成長させた金属微粒子と、光学的透明物質とをスパ
ッタリング法により交互に堆積させることを提案してい
るが、金属微粒子を強誘電体あるいは高誘電体のマトリ
ックス中に分散させたものではなく、このためχ(3) 値
も、実施例中では最大でも2×10-9esu で、本発明の
10-6esu 程度よりはるかに低いものであり、マトリッ
クスとして誘電率の低い材料を用いるので、表面をマト
リックス材料で被覆したとしても、プラズマ共鳴吸収ピ
ーク位置のシフト効果は生じない。In the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 3-294829,
It is proposed to alternately deposit island-grown metal particles and an optically transparent substance by a sputtering method, but it is not the one in which the metal particles are dispersed in a ferroelectric or high-dielectric matrix. Therefore, the χ (3) value is also 2 × 10 -9 esu at the maximum in the embodiment, which is far lower than about 10 -6 esu of the present invention, and a material having a low dielectric constant is used as the matrix. Even if the surface is covered with a matrix material, the effect of shifting the plasma resonance absorption peak position does not occur.
【0019】〔薄膜組成〕
(金属微粒子)本発明に用いる金属微粒子は、Au(共
鳴吸収ピーク位置約520nm)、Ag(同約370n
m)、Cu(同約630nm)等が好ましいが、各種単一
金属や合金が使用でき、特に制限されるものではない。
また、場合によってはこれらの金属や合金を2種以上用
いることもできる。これらは、いずれも本発明に従い、
熱処理等を施したり、表面層を形成したりすることでプ
ラズマ共鳴吸収ピーク位置がシフトする。[Thin Film Composition] (Metallic Fine Particles) The metallic fine particles used in the present invention are Au (resonance absorption peak position about 520 nm) and Ag (about 370 n).
m), Cu (about 630 nm) and the like are preferable, but various single metals and alloys can be used and are not particularly limited.
Further, in some cases, two or more kinds of these metals or alloys can be used. These are all according to the present invention,
The plasma resonance absorption peak position shifts by applying heat treatment or forming a surface layer.
【0020】=微粒子サイズ等=
このような微粒子の平均粒径は1〜100nm、好ましく
は2〜30nmである。このような平均粒径で量子サイズ
効果が実現する。微粒子の含有量は、全体の1〜80vo
l%、特に5〜60vol%であることが好ましい。含有量が
少なすぎると、非線形光学材料としての有用性がうす
れ、多すぎると、バルク的な性質が大きくなるために光
学的非線形性が小さくなる。なお、微粒子結晶の平均粒
径は、透過型電子顕微鏡(TEM)画像から求めるか、
あるいはX線回析スペクトルから、シェラーの式によっ
て求めることができる。また含有量は、化学分析あるい
はESCA等から求めればよい。= Particle size etc. = The average particle size of such particles is 1 to 100 nm, preferably 2 to 30 nm. The quantum size effect is realized with such an average particle size. The content of fine particles is 1 to 80 vo
It is preferably 1%, particularly 5 to 60 vol%. If the content is too small, the usefulness as a nonlinear optical material is weakened, and if the content is too large, the bulky properties are increased and the optical nonlinearity is reduced. In addition, the average particle size of the fine particle crystals is obtained from a transmission electron microscope (TEM) image,
Alternatively, it can be obtained from the X-ray diffraction spectrum by Scherrer's formula. The content may be determined by chemical analysis, ESCA or the like.
【0021】〔金属微粒子の分布〕本発明では、膜の表
層界面(上部)および/または基板界面(下部)部分に
金属微粒子の含有率が低い部分をもつ。このような含有
率の低下は、成膜時の金属微粒子材料とマトリックス材
料とを例えば2元スパッタするとき、両者の成膜スピー
ドを段階的にまたは連続的に変化させることで実現でき
る。このようにすると、金属微粒子が、誘電率の高い材
料以外と接触する面積を効果的に減少させることにな
る。したがってこの接触面積を制御することで、本発明
の効果が現れると考えられる。[Distribution of Fine Metal Particles] In the present invention, a portion having a low content of fine metal particles is provided at the surface layer interface (upper part) and / or the substrate interface (lower part) of the film. Such a decrease in the content rate can be realized by changing the film formation speed of the metal fine particle material and the matrix material during film formation stepwise or continuously, for example, when the two-dimensional sputtering is performed. By doing so, the area where the metal fine particles come into contact with a material other than a material having a high dielectric constant is effectively reduced. Therefore, it is considered that the effects of the present invention will appear by controlling this contact area.
【0022】=下地層形成=
このような金属微粒子含有率が低下する部分を形成する
方法としては、以下に述べる方法を用いることもでき
る。すなわち、例えばあらかじめ誘電率の高い材料をス
パッタリングして表面層としての下地層を形成し(この
とき、下地層に対して後述する熱処理をしても、またし
なくてもよい)、次いで金属微粒子材料とマトリックス
材料とで同時あるいは多元スパッタ等により微粒子分散
マトリックスの中央層を成膜する。この時、下地層とマ
トリックスとの界面付近には、下地層表面の凹凸のため
に金属微粒子が一部下地層内に拡散するが、金属微粒子
含有率が低い部分が形成される。その後、必要に応じ、
後述する熱処理を施した場合には、あらかじめ成膜した
下地層との界面付近の金属微粒子の結晶粒成長等によ
り、マトリックスと下地層との界面はさらに不明瞭とな
る。このような方法により、基板と接触していた金属微
粒子を、下地層の誘電率の高い材料で被覆することがで
きる。この後に熱処理を施してもよい。また、下地層上
に金属微粒子を含むマトリックスの中央層を成膜する前
に、熱処理をした場合としない場合とでプラズマ共鳴吸
収ピーク位置の変化量が異なることから、下地層の熱処
理は、波長位置の微調整に利用することもできる。= Formation of Underlayer = As a method for forming such a portion where the content of the metal fine particles decreases, the following method can be used. That is, for example, a material having a high dielectric constant is previously sputtered to form a base layer as a surface layer (at this time, the base layer may or may not be subjected to a heat treatment described later), and then the metal fine particles The central layer of the fine particle dispersed matrix is formed simultaneously with the material and the matrix material by multi-source sputtering or the like. At this time, in the vicinity of the interface between the underlayer and the matrix, metal fine particles partially diffuse into the underlayer due to the unevenness of the surface of the underlayer, but a portion having a low metal fine particle content rate is formed. Then, if necessary,
When the heat treatment described later is performed, the interface between the matrix and the underlayer becomes more unclear due to the crystal grain growth of the metal fine particles in the vicinity of the interface with the underlayer formed in advance. By such a method, the metal fine particles that were in contact with the substrate can be covered with the material having a high dielectric constant for the underlayer. After this, heat treatment may be performed. Further, since the amount of change in the plasma resonance absorption peak position is different before and after heat treatment of the central layer of the matrix containing metal fine particles on the underlayer, the heat treatment of the underlayer is It can also be used for fine adjustment of the position.
【0023】=上地層形成=
またさらに別の方法として、例えば金属微粒子材料とマ
トリックス材料とで同時あるいは多元スパッタリング法
等により微粒子分散マトリックスの中央層を成膜する
(このとき、前記下地層は、形成しても、またしなくて
もよい)。次いで、必要に応じ後述する熱処理を行うこ
ともできる。熱処理を行なうと、マトリックス中の金属
微粒子の結晶粒成長が顕著になる。次いで誘電率の高い
材料を、スパッタリング法等により積層することで、中
央層の表面の凹凸のために、界面付近に金属微粒子の含
有率が低下した部分が形成される。このような方法によ
り、中央層表面に露出している金属微粒子を、誘電率の
高い材料で被覆することができる。このような中央層表
面の変化は、原子間力顕微鏡(AFM)の画像により観
察することで確認できる。また、膜の金属微粒子含有率
の厚さ方向の変化は、透過型電子顕微鏡(TEM)画像
から観察することで確認できる。= Formation of Top Layer = As still another method, for example, a central layer of a fine particle dispersed matrix is formed simultaneously with a metal fine particle material and a matrix material or by a multi-source sputtering method (at this time, the underlayer is May or may not be formed). Then, if necessary, a heat treatment described below can be performed. When the heat treatment is performed, the crystal grain growth of the metal fine particles in the matrix becomes remarkable. Then, a material having a high dielectric constant is laminated by a sputtering method or the like to form a portion where the content of the metal fine particles is reduced near the interface due to the unevenness of the surface of the central layer. By such a method, the metal fine particles exposed on the surface of the central layer can be coated with a material having a high dielectric constant. Such changes in the surface of the central layer can be confirmed by observing the images with an atomic force microscope (AFM). Further, the change in the metal fine particle content of the film in the thickness direction can be confirmed by observing from a transmission electron microscope (TEM) image.
【0024】このようにして得られた、中央層表面を被
覆する誘電率の高い材料の上地層薄膜は、後述する熱処
理をしても、またしなくてもよい。熱処理をした場合と
しない場合とでプラズマ共鳴吸収ピーク位置の変化量が
異なることから、波長位置の微調整に利用することもで
きる。The upper layer thin film of the high dielectric constant material covering the surface of the central layer thus obtained may or may not be subjected to the heat treatment described later. Since the amount of change in the plasma resonance absorption peak position differs depending on whether the heat treatment is performed or not, it can be used for fine adjustment of the wavelength position.
【0025】本発明の表面層は、前記成膜時の金属微粒
子材料とマトリックス材料とを例えば2元スパッタする
とき、両者の成膜スピードを段階的にまたは連続的に変
化させることで実現しても、また前記下地層あるいは上
地層を表面層として形成することで実現してもよく、こ
れらを併用することもできる。なお、上地層界面側の表
面層を必須のものとして設けると、中央層および必要に
応じて下地層を適当な条件で成膜し、上地層で調整可能
なプラズマ共鳴吸収ピーク位置の波長範囲内にピーク位
置を制御した薄膜について、その波長測定結果を基とし
て、さらに上地層により、精密に微調整が可能である点
では好ましい。The surface layer of the present invention is realized by stepwise or continuously changing the film formation speed of the metal fine particle material and the matrix material during the film formation, for example, when the two-dimensional sputtering is performed. Alternatively, it may be realized by forming the underlayer or the upper layer as a surface layer, and these may be used in combination. In addition, if the surface layer on the interface of the upper layer is provided as an essential layer, the central layer and, if necessary, the underlayer are formed under appropriate conditions and within the wavelength range of the plasma resonance absorption peak position that can be adjusted in the upper layer. It is preferable that the thin layer whose peak position is controlled can be precisely finely adjusted by the upper layer based on the wavelength measurement result.
【0026】(マトリックス・下地層・上地層材料)本
発明の中央層および表面層に用いる材料は、強誘電性あ
るいは高誘電性材料である。強誘電性材料とは、バルク
の多結晶体の常温での誘電率が150程度以上のもので
あり、高誘電性材料とは、バルクの多結晶体の常温での
誘電率が10以上150未満程度のものである。これら
は、後述の成膜後の熱処理により誘電率が変化し、この
結果共鳴吸収位置が大幅にシフトするものと考えられ
る。(Matrix / Underlayer / Upper Layer Material) The material used for the central layer and surface layer of the present invention is a ferroelectric or high-dielectric material. A ferroelectric material is a bulk polycrystal having a dielectric constant of about 150 or more at room temperature, and a high-dielectric material is a bulk polycrystal having a dielectric constant of 10 or more and less than 150 at room temperature. It is of a degree. It is considered that the dielectric constant of these changes due to the heat treatment after the film formation described later, and as a result, the resonance absorption position shifts significantly.
【0027】=強誘電性ないし高誘電性材料=
このような強誘電性材料としては、ペロブスカイト型化
合物である。ペロブスカイト型化合物としては、A1+B
5+O3 、A2+B4+O3 、A3+B3+O3 、AX BO3 、A
(B′0.67B″0.33)O3 、A(B′0.33B″0.67)O
3 、A(B0.5 +3 B0.5 +5 )O3 、A(B0.5 2+ B0.5
6+ )O3 、A(B0.5 1+ B0.5 7+ )O3、A3+(B0.5
2+ B0.5 4+ )O3 、A(B0.25 1+B0.75 5+)O3 、A
(B0.5 3+B0.5 4+ )O2.75、A(B0.5 2+ B0.5 5+ )
O2.75等いずれであってもよい。例えば、BaTiO
3 、PbTiO3 、KTaO3 、NaTaO3 、SrT
iO3、CdTiO3 、KNbO3 、LiNbO3 、L
iTaO3 、PZT(PbZrO3 −PbTiO3 )、
PLZT(PbZrO3 −PbTiO3 :La2 O3 )
等である。= Ferroelectric or High-Dielectric Material = Such a ferroelectric material is a perovskite type compound. As the perovskite type compound, A 1+ B
5+ O 3, A 2+ B 4+ O 3, A 3+ B 3+ O 3, A X BO 3, A
(B ′ 0.67 B ″ 0.33 ) O 3 , A (B ′ 0.33 B ″ 0.67 ) O
3 , A (B 0.5 +3 B 0.5 +5 ) O 3 , A (B 0.5 2+ B 0.5
6+ ) O 3 , A (B 0.5 1+ B 0.5 7+ ) O 3 , A 3+ (B 0.5
2+ B 0.5 4+ ) O 3 , A (B 0.25 1+ B 0.75 5+ ) O 3 , A
(B 0.5 3+ B 0.5 4+ ) O 2.75 , A (B 0.5 2+ B 0.5 5+ )
It may be O 2.75 or the like. For example, BaTiO
3 , PbTiO 3 , KTaO 3 , NaTaO 3 , SrT
iO 3 , CdTiO 3 , KNbO 3 , LiNbO 3 , L
iTaO 3 , PZT (PbZrO 3 -PbTiO 3 ),
PLZT (PbZrO 3 -PbTiO 3: La 2 O 3)
Etc.
【0028】また高誘電性材料としては、TiO2 、2
MgO・TiO2 、MgO・TiO2 、MgO・2Ti
O2 、ZnO−TiO2 、CaTiO3 等が好適であ
る。高誘電性材料としては、酸化チタン、あるいは酸化
チタンを含む複合酸化物(チタン酸塩)であり、強誘電
性材料としては、酸化チタン、あるいは酸化チタンを含
む複合酸化物(チタン酸塩)が好適であり、これらの強
誘電性ないし高誘電性材料としては、特にバルクの多結
晶体の常温での誘電率が100〜300程度のチタン酸
塩ペロブスカイト型化合物、例えばBaTiO3 、Sr
TiO3 、CaTiO3 、PbTiO3 等が好ましい。Further, as the high dielectric material, TiO 2 , 2
MgO / TiO 2 , MgO / TiO 2 , MgO / 2Ti
O 2, ZnO-TiO 2, CaTiO 3 or the like are preferable. The high dielectric material is titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide (titanate), and the ferroelectric material is titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide (titanate). Suitable as these ferroelectric or high-dielectric materials are, in particular, titanate perovskite type compounds having a dielectric constant of about 100 to 300 at room temperature for bulk polycrystals, such as BaTiO 3 and Sr.
TiO 3 , CaTiO 3 , PbTiO 3 and the like are preferable.
【0029】本発明の中央層および表面層に用いる材料
は、このような材料を、必要に応じて2種以上用いるこ
ともできる。さらに、中央層と下地層、中央層と上地層
にそれぞれ別の材料を用いることもできる。このとき、
下地層あるいは上地層に用いる材料に、異なる誘電率を
もつ材料を用いることで、プラズマ共鳴吸収ピーク位置
の変化量を変えることもできる。As the material used for the central layer and the surface layer of the present invention, two or more kinds of such materials can be used if necessary. Further, different materials may be used for the central layer and the base layer, and for the central layer and the upper ground layer. At this time,
The amount of change in the plasma resonance absorption peak position can be changed by using materials having different permittivities as the materials used for the underlayer or the upper layer.
【0030】=マイクロストラクチュア=
これら強誘電性ないし高誘電性材料の中央層、下地層お
よび上地層は、成膜直後、熱処理後ともX線回折スペク
トル(XRD)には明瞭なピークは観察されず、実質的
にアモルファス状態にある。ただし、透過型電子顕微鏡
(TEM)による観察では、通常は、熱処理後にはグレ
インが観察される。この際、グレインの平均径は40〜
1000nm、特に100〜500nmである。= Microstructure = No clear peak is observed in the X-ray diffraction spectrum (XRD) of the central layer, the underlayer and the upper layer of these ferroelectric or high-dielectric materials immediately after film formation and after heat treatment. , Substantially in an amorphous state. However, in observation with a transmission electron microscope (TEM), grains are usually observed after heat treatment. At this time, the average grain diameter is 40 to
1000 nm, especially 100-500 nm.
【0031】=膜厚=
このようなマトリックス中に微粒子を分散した中央層薄
膜の厚さは、一般に0.01〜10μm 程度で、さらに
好ましくは0.01〜0.1μm 程度である。中央層薄
膜が厚すぎると、膜の透過率が低減し、非線形光学特性
が劣化する。また、薄すぎると金属微粒子がマトリック
ス中で正常に成長せず、非線形光学特性が正常に得られ
ない。= Thickness = The thickness of the central layer thin film in which fine particles are dispersed in such a matrix is generally about 0.01 to 10 μm, more preferably about 0.01 to 0.1 μm. If the central layer thin film is too thick, the transmittance of the film is reduced and the non-linear optical characteristics are deteriorated. On the other hand, if it is too thin, the fine metal particles do not grow normally in the matrix, and the nonlinear optical characteristics cannot be obtained normally.
【0032】また、上地層や下地層の薄膜の膜厚は、
0.2μm 程度以下、好ましくは0.005〜0.1μ
m 程度である。これらの薄膜は、前記金属微粒子の中央
層より露出した部分を被覆することで、金属微粒子と誘
電率の高い材料との何らかの相互作用がより強く働くこ
とを期待したもので、被覆する程度を制御する、すなわ
ち、例えば上地層あるいは下地層の膜厚を制御すること
で、プラズマ共鳴吸収ピーク位置のシフト量を制御する
ことができる。したがって、露出した金属微粒子を被覆
するに要する膜厚を大きくこえても、波長のシフト効果
は少ない。このように、上地層や下地層として金属微粒
子の含有率が低下する部分を設けるとき、これら表面層
の金属微粒子の含有率は、中央層の1/2以下程度、さ
らに0〜1/10以下程度とすることが好ましい。ただ
し、このように成膜された表面層は、明瞭には判別でき
ないことがある。Further, the film thickness of the upper layer and the underlayer thin film is
0.2 μm or less, preferably 0.005 to 0.1 μ
It is about m. These thin films are expected to enhance the interaction between the metal fine particles and the material having a high dielectric constant by coating the exposed portions of the metal fine particles above the central layer. That is, for example, by controlling the film thickness of the upper layer or the underlayer, the shift amount of the plasma resonance absorption peak position can be controlled. Therefore, even if the film thickness required to cover the exposed metal fine particles is greatly exceeded, the wavelength shift effect is small. In this way, when providing a portion in which the content of the metal fine particles is lowered as the upper layer or the underlayer, the content of the metal fine particles in these surface layers is about ½ or less of the central layer, and further 0 to 1/10 or less. It is preferable to set the degree. However, the surface layer thus formed may not be clearly discriminated.
【0033】〔製造方法〕本発明の中央層を成膜するに
は、種々の方法が可能であり、マトリックス材料と金属
微粒子との交互スパッタや、マトリックス材料と金属微
粒子材料との多元スパッタ等も可能であるが、その生産
性からマトリックス材料と金属微粒子材料とのそれぞれ
をターゲットとして同時スパッタすることが好ましい。
また、上地層および下地層の成膜にもスパッタリング法
を用いることが好ましい。スパッタリングの方式はいず
れの方法でもよいが、成膜速度等の点からはRFマグネ
トロンスパッタ法が好適である。この際、動作圧力は1
0-3〜10-2Torr程度、基板温度は常温〜300℃程度
とする。そして、金属チップ量を変更したりすること
で、金属微粒子の含有量を変化させることができ、膜の
厚さ方向に金属微粒子の含有率を制御した表面層とした
りすることもできる。[Manufacturing Method] Various methods can be used for forming the central layer of the present invention, such as alternate sputtering of a matrix material and metal fine particles, multi-source sputtering of a matrix material and metal fine particle materials, and the like. Although possible, it is preferable to perform co-sputtering with the matrix material and the metal fine particle material as targets, from the viewpoint of productivity.
It is also preferable to use the sputtering method for forming the upper layer and the underlayer. Although any method may be used as the sputtering method, the RF magnetron sputtering method is preferable from the viewpoint of film forming speed and the like. At this time, the operating pressure is 1
The substrate temperature is about 0 −3 to 10 −2 Torr and the substrate temperature is about room temperature to 300 ° C. Then, the content of the metal fine particles can be changed by changing the amount of the metal chips, and a surface layer in which the content rate of the metal fine particles is controlled in the thickness direction of the film can be obtained.
【0034】また、本発明に用いる成膜基板としては、
このような目的で通常使用している例えば合成石英ガラ
ス基板等を用いることができる。このとき、特に表面に
一軸配向性の配向面を有する基板を用いると、後述する
熱処理により、マトリックス材料のグレインが粒成長
し、マトリックス中の金属微粒子の結晶性が向上し、さ
らに結晶粒径も大きく、かつ粒度がそろったものが得ら
れる。このような基板材料としては、α−Al2 O3 、
Si、Ge、GaAs、MgO、MgO−Al2O3 等
があげられる。Further, as the film forming substrate used in the present invention,
For example, a synthetic quartz glass substrate or the like usually used for such purpose can be used. At this time, in particular, when a substrate having a uniaxially oriented surface is used on the surface, the heat treatment described later causes the grains of the matrix material to grow grains, improving the crystallinity of the metal fine particles in the matrix, and further increasing the crystal grain size. A large and uniform particle size can be obtained. As such a substrate material, α-Al 2 O 3 ,
Si, Ge, GaAs, MgO, MgO-Al 2 O 3 and the like can be mentioned.
【0035】(熱処理)本発明では、マトリックス中に
分散されている金属微粒子の結晶性と結晶粒子径を調整
するために、熱処理を施すことで、プラズマ共鳴吸収ピ
ーク位置を大きく変化させることができる。この熱処理
は、一般には大気あるいは不活性ガス雰囲気中で100
℃以上、特に300℃以上、さらには500℃以上、一
般に1100℃以下、特に1000℃以下の温度に、2
0時間程度以下、一般に1分以上、特に10分以上保持
することによって行えばよい。(Heat Treatment) In the present invention, the plasma resonance absorption peak position can be largely changed by performing heat treatment in order to adjust the crystallinity and the crystal grain size of the metal fine particles dispersed in the matrix. . This heat treatment is generally performed at 100% in the atmosphere or an inert gas atmosphere.
2 ° C or higher, particularly 300 ° C or higher, further 500 ° C or higher, generally 1100 ° C or lower, particularly 1000 ° C or lower
It may be carried out by holding for about 0 hour or less, generally for 1 minute or more, and particularly for 10 minutes or more.
【0036】また、前記条件による熱処理法とは別に、
成膜直後の熱処理としては、レーザ等により活性エネル
ギー線を照射することで急速に昇温したのち急冷する工
程を含み、急冷の際の急冷速度が103 ℃/秒以上、一
般に107 ℃/秒以下程度のフラッシュアニールを行な
うことによってもできる。In addition to the heat treatment method under the above conditions,
The heat treatment immediately after film formation includes a step of rapidly raising the temperature by irradiating an active energy ray with a laser or the like and then rapidly cooling, and the quenching rate at the time of quenching is 10 3 ° C / sec or more, generally 10 7 ° C / second. It can also be performed by performing flash annealing for about a second or less.
【0037】また、前記上地層あるいは下地層について
も、必要に応じて、中央層と同時にまたはそれぞれ別
に、このような熱処理を行なうことができる。Also, for the upper layer or the underlayer, such heat treatment can be carried out simultaneously with the central layer or separately, if necessary.
【0038】本発明の中央層では、このような熱処理温
度や熱処理時間等の条件を選択することで、所望のプラ
ズマ共鳴吸収ピーク位置に近似したピーク波長をもつ非
線形光学薄膜を得ることができる。さらに、例えばSr
TiO3 をマトリックス材料として使用した場合のよう
に、前記のような熱処理無しでも、プラズマ共鳴吸収ピ
ークをもつものは、必要に応じて熱処理しなくてもよ
い。しかし、このような熱処理条件の選択のみでは、精
密にプラズマ共鳴吸収ピーク位置を設定することは困難
で、製造時の微妙な条件の違い等により、ピーク位置の
バラツキが発生する。In the central layer of the present invention, a nonlinear optical thin film having a peak wavelength close to a desired plasma resonance absorption peak position can be obtained by selecting such conditions as heat treatment temperature and heat treatment time. Furthermore, for example, Sr
As in the case where TiO 3 is used as a matrix material, a material having a plasma resonance absorption peak does not have to be heat-treated as necessary even without the heat treatment as described above. However, it is difficult to precisely set the plasma resonance absorption peak position only by selecting such heat treatment conditions, and variations in the peak positions occur due to subtle differences in conditions during manufacturing.
【0039】〔特性〕
(プラズマ共鳴吸収ピーク位置調整機能)以上記述した
ように、本発明では、プラズマ共鳴吸収ピーク位置を所
望の波長に設定した非線形光学薄膜を得るために、まず
大きく波長をシフトする作用をもつが、精密には制御し
にくい熱処理を、必要に応じて利用する。この熱処理条
件を適当に設定することで、所望ピーク位置近似の波長
を得ることができる。[Characteristics] (Plasma resonance absorption peak position adjusting function) As described above, in the present invention, in order to obtain a nonlinear optical thin film in which the plasma resonance absorption peak position is set to a desired wavelength, the wavelength is first largely shifted. If necessary, a heat treatment that has the effect of, but is not precisely controlled is used. By appropriately setting the heat treatment conditions, it is possible to obtain a wavelength approximate to a desired peak position.
【0040】このとき、あらかじめ中央層の上部または
下部に金属微粒子の含有率が低い部分、好ましくは金属
微粒子を含まない層を表面層として設けることで、ピー
ク位置の変化量はより一層大きくなる。上部および下部
共にこのような部分を設けることで、この変化量はさら
に大きくなる。At this time, the amount of change in peak position is further increased by previously providing a portion having a low content of metal fine particles, preferably a layer containing no metal fine particles, on the upper or lower part of the central layer as the surface layer. By providing such a portion in both the upper and lower portions, this change amount is further increased.
【0041】また、特に上部にこのような、中央部より
金属微粒子の含有率が低い部分を設けることで、前記熱
処理後の、さらなるピーク位置の微調整が可能となる。
すなわち、前記上地層を設ける前に、熱処理等を施した
結果得られた非線形光学薄膜のピーク位置が、さらに微
調整を要するとき、この薄膜上に、誘電率の高い材料を
選択して上地層を積層すればよい。このとき、積層する
薄膜の膜厚や、熱処理条件を、熱処理なしも含めて選択
することで、さらに微細な条件設定が可能となる。Further, by providing such a portion in which the content of the metal fine particles is lower than that in the central portion, particularly at the upper portion, it is possible to further finely adjust the peak position after the heat treatment.
That is, when the peak position of the nonlinear optical thin film obtained as a result of heat treatment or the like before providing the upper layer requires further fine adjustment, a material having a high dielectric constant is selected on this thin layer to form the upper layer. May be laminated. At this time, by selecting the film thickness of the thin film to be laminated and the heat treatment conditions, including those without heat treatment, it is possible to set finer conditions.
【0042】このような、プラズマ共鳴吸収ピーク位置
を調整する数種のファクターと、そのピーク位置の変化
量との関係は、それぞれのケースにより実験的に求めれ
ばよい。The relationship between such several factors for adjusting the plasma resonance absorption peak position and the amount of change in the peak position may be experimentally obtained in each case.
【0043】(誘電率)強誘電性あるいは高誘電性材料
を用いた本発明の非線形光学薄膜は、一般に10以上の
誘電率εを示し、特に100以上、さらに150以上、
さらには200以上とすることができる。このような薄
膜の誘電率を測定するには、合成石英ガラス基板上に、
スパッタリング法にて白金薄膜下部電極を形成し、その
上に被測定薄膜を形成して、さらにその上に白金製の1
mmφのパッド上部電極を形成し、必要に応じてその後熱
処理を行う。そして、LFインピーダンスアナライザー
を用いてCおよびQを測定し、これから計算によりεを
求めればよい。(Dielectric constant) The nonlinear optical thin film of the present invention using a ferroelectric or high dielectric material generally exhibits a dielectric constant ε of 10 or more, and particularly 100 or more, further 150 or more,
Further, it can be 200 or more. To measure the dielectric constant of such a thin film, a synthetic quartz glass substrate,
A platinum thin film lower electrode is formed by a sputtering method, a thin film to be measured is formed on the lower electrode, and a platinum film 1 is formed on the lower electrode.
A pad upper electrode of mmφ is formed, and then heat treatment is performed if necessary. Then, C and Q are measured using an LF impedance analyzer, and from this, ε can be calculated.
【0044】(χ(3) 値)
また、このような強誘電性材料あるいは高誘電性材料等
を用いた素子のχ(3)値は、特に、前記熱処理により、
含まれる金属微粒子の粒成長を制御することで、最大1
0-7esu 以上、特に10-6esu 以上が得られる。このよ
うな高いχ(3)値が得られるのは、マトリックス中に分
散されている金属微粒子が高濃度であること、および使
用したマトリックス材料の誘電率が高いこと、さらに分
散された金属微粒子が誘電率の高いマトリックス材料と
接触している面積が広いためと考えられる。なお、χ
(3) 値は前記の光電子材料シンポジウム予稿集に記載の
位相共役型の縮退四光波混合法(DFWM)に準じて測
定することができる。また、上記のχ(3) 値は、Nd:
YAGレーザ(1.06μm )の第2高調波(532n
m)を用いたときの値であり、プラズマ共鳴吸収ピーク
位置での値ではないので、このプラズマ共鳴吸収ピーク
波長でのχ(3) は10-7esu 以上、特に10-6esu 以上
の範囲でさらに一層高いものとなる。(Χ (3) value) Further, the χ (3) value of the element using such a ferroelectric material or high dielectric material is
By controlling the grain growth of the contained metal fine particles, maximum 1
It is possible to obtain 0 -7 esu or more, particularly 10 -6 esu or more. Such a high χ (3) value can be obtained because the concentration of the metal fine particles dispersed in the matrix is high, the dielectric constant of the matrix material used is high, and the dispersed metal fine particles are This is probably because the area in contact with the matrix material having a high dielectric constant is large. Note that χ
The value (3) can be measured according to the phase-conjugated degenerate four-wave mixing method (DFWM) described in the above-mentioned Proceedings of the Symposium on Optoelectronic Materials. The above χ (3) value is Nd:
Second harmonic (532n) of YAG laser (1.06μm)
m) is used, not the value at the plasma resonance absorption peak position, so χ (3) at this plasma resonance absorption peak wavelength is in the range of 10 -7 esu or more, especially 10 -6 esu or more. It will be even higher.
【0045】[0045]
【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。EXAMPLES The present invention will be described in more detail below by showing specific examples of the present invention.
【0046】実施例1
RFマグネトロンスパッタ装置を用い、SrTiO3 タ
ーゲットにAuチップを乗せ、同時スパッタにより中央
層を成膜した。基板は合成石英ガラスを用いた。RFパ
ワーは100W 、真空度は5mTorr の条件とした。Au
濃度はチップの量で制御した。膜厚はスパッタ時間で制
御し、150A とした。なお、得られた中央層薄膜のA
u含有濃度は14vol%であった。Example 1 Using an RF magnetron sputtering apparatus, an Au chip was placed on a SrTiO 3 target, and a central layer was formed by co-sputtering. A synthetic quartz glass was used as the substrate. The RF power was 100 W and the degree of vacuum was 5 mTorr. Au
The concentration was controlled by the amount of chips. The film thickness was controlled to 150 A by controlling the sputtering time. In addition, A of the obtained central layer thin film
The u-containing concentration was 14 vol%.
【0047】得られた中央層薄膜は、電気炉を用いて9
00℃−1時間熱処理した。熱処理方法は昇温スピード
を900℃/1時間とし、1時間900℃に保持した
後、放冷した。The obtained central layer thin film was subjected to 9
Heat treatment was performed at 00 ° C. for 1 hour. In the heat treatment method, the temperature rising speed was set to 900 ° C./1 hour, the temperature was kept at 900 ° C. for 1 hour, and then allowed to cool.
【0048】熱処理後さらに、RFマグネトロンスパッ
タ装置を用い、SrTiO3 ターゲットにより、前記中
央層の成膜と同条件で上地層を成膜した。膜厚は150
A とした。After the heat treatment, an upper layer was formed on the SrTiO 3 target using an RF magnetron sputtering device under the same conditions as the formation of the central layer. The film thickness is 150
A.
【0049】得られた薄膜(試料No. 11)について、
分光光度計を用いて、中央層成膜後、中央層熱処理後お
よび上地層成膜後のそれぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク
位置を測定した。得られた値は表1にまとめて示した。Regarding the obtained thin film (Sample No. 11),
Using a spectrophotometer, the respective plasma resonance absorption peak positions were measured after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed. The values obtained are summarized in Table 1.
【0050】[0050]
【表1】 [Table 1]
【0051】さらに、分光光度計により得られた吸収ピ
ークのスペクトルを図1に、また、X線回折法により得
られたスペクトルを図2に示す。なお、図1および図2
中の1は中央層成膜後、2は中央層熱処理後、3は上地
層成膜後のそれぞれのスペクトルを示す。Furthermore, the spectrum of the absorption peak obtained by the spectrophotometer is shown in FIG. 1, and the spectrum obtained by the X-ray diffraction method is shown in FIG. 1 and 2
In the figure, 1 indicates the spectrum after the central layer is formed, 2 indicates the spectrum after the central layer is heat-treated, and 3 indicates the spectrum after the upper layer is formed.
【0052】実施例2
中央層の膜厚を300A としたほかは、実施例1と同様
に処理した。得られた薄膜(試料No. 12)について、
分光光度計を用いて、中央層成膜後、中央層熱処理後お
よび上地層成膜後のそれぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク
位置を測定した。得られた値は表1にまとめて示した。Example 2 The same process as in Example 1 was carried out except that the thickness of the central layer was 300A. About the obtained thin film (Sample No. 12),
Using a spectrophotometer, the respective plasma resonance absorption peak positions were measured after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed. The values obtained are summarized in Table 1.
【0053】実施例3
中央層に熱処理を施さないほかは実施例2と同様に処理
した。得られた薄膜(試料No. 13)について、分光光
度計を用いて、中央層成膜後および上地層成膜後のそれ
ぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク位置を測定した。得られ
た値は表1にまとめて示した。Example 3 The same treatment as in Example 2 was carried out except that the heat treatment was not applied to the central layer. With respect to the obtained thin film (Sample No. 13), the plasma resonance absorption peak positions after the center layer formation and after the upper layer formation were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 1.
【0054】実施例4
SrTiO3 ターゲットをBaTiO3 ターゲットに変
えたほかは実施例2と同様に処理した。得られた薄膜
(試料No. 21)について、分光光度計を用いて、中央
層成膜後、中央層熱処理後および上地層成膜後のそれぞ
れのプラズマ共鳴吸収ピーク位置を測定した。得られた
値は表1にまとめて示した。ただし、本試料では、中央
層成膜後(熱処理前)には、明確なプラズマ共鳴吸収ピ
ークは得られなかった。Example 4 The same process as in Example 2 was carried out except that the SrTiO 3 target was changed to the BaTiO 3 target. With respect to the obtained thin film (Sample No. 21), the plasma resonance absorption peak positions after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 1. However, in this sample, a clear plasma resonance absorption peak was not obtained after the central layer was formed (before the heat treatment).
【0055】さらに、分光光度計により得られた吸収ピ
ークのスペクトルを図3に、また、X線回折法により得
られたスペクトルを図4に示す。なお、図3および図4
中の1は中央層成膜後、2は中央層熱処理後、3は上地
層成膜後のそれぞれのスペクトルを示す。Further, the spectrum of the absorption peak obtained by the spectrophotometer is shown in FIG. 3, and the spectrum obtained by the X-ray diffraction method is shown in FIG. 3 and 4
In the figure, 1 indicates the spectrum after the central layer is formed, 2 indicates the spectrum after the central layer is heat-treated, and 3 indicates the spectrum after the upper layer is formed.
【0056】実施例5
実施例4と同様に処理した後、さらに実施例1に記述の
条件で熱処理した。得られた薄膜(試料No. 22)につ
いて、分光光度計を用いて中央層成膜後、中央層熱処理
後、上地層成膜後および上地層熱処理後のそれぞれのプ
ラズマ共鳴吸収ピーク位置を測定した。得られた値は表
1にまとめて示した。Example 5 After the same treatment as in Example 4, a heat treatment was further performed under the conditions described in Example 1. For the obtained thin film (Sample No. 22), the plasma resonance absorption peak positions were measured using a spectrophotometer after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, after the upper layer was formed and after the upper layer was heat-treated. . The values obtained are summarized in Table 1.
【0057】実施例6
中央層成膜時のターゲットをSrTiO3 とし、上地層
成膜時のターゲットをBaTiO3 としたほかは実施例
1と同様に処理した。得られた薄膜(試料No.31)に
ついて、分光光度計を用いて、中央層成膜後、中央層熱
処理後および上地層成膜後のそれぞれのプラズマ共鳴吸
収ピーク位置を測定した。得られた値は表1にまとめて
示した。Example 6 The same process as in Example 1 was carried out except that the target for forming the central layer was SrTiO 3 and the target for forming the upper layer was BaTiO 3 . With respect to the obtained thin film (Sample No. 31), the positions of the plasma resonance absorption peaks after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 1.
【0058】実施例7
中央層成膜時のターゲットをBaTiO3 とし、上地層
成膜時のターゲットをSrTiO3 としたほかは実施例
1と同様に処理した。得られた薄膜(試料No.41)に
ついて、分光光度計を用いて、中央層成膜後、中央層熱
処理後および上地層成膜後のそれぞれのプラズマ共鳴吸
収ピーク位置を測定した。得られた値は表1にまとめて
示した。Example 7 The same process as in Example 1 was carried out except that BaTiO 3 was used as the target for forming the central layer and SrTiO 3 was used as the target for forming the upper layer. With respect to the obtained thin film (Sample No. 41), the plasma resonance absorption peak positions after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed, were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 1.
【0059】比較例1
実施例1と同様に中央層を成膜し、熱処理後、ターゲッ
トをSrTiO3 からSiO2 にかえて300A の膜厚
の上地層を成膜した。得られた薄膜(試料No.51)に
ついて、分光光度計を用いて、中央層成膜後、中央層熱
処理後および上地層成膜後のそれぞれのプラズマ共鳴吸
収ピーク位置を測定した。得られた値は表1にまとめて
示した。Comparative Example 1 A central layer was formed in the same manner as in Example 1, and after heat treatment, the target was changed from SrTiO 3 to SiO 2 and an upper layer having a film thickness of 300 A was formed. With respect to the obtained thin film (Sample No. 51), the plasma resonance absorption peak positions after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed, were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 1.
【0060】比較例2
中央層成膜時のターゲットをBaTiO3 としたほかは
比較例1と同様に処理した。得られた薄膜(試料No. 5
2)について、分光光度計を用いて、中央層成膜後、中
央層熱処理後および上地層成膜後のそれぞれのプラズマ
共鳴吸収ピーク位置を測定した。得られた値は表1にま
とめて示した。Comparative Example 2 The same process as in Comparative Example 1 was performed except that the target at the time of forming the central layer was BaTiO 3 . Obtained thin film (Sample No. 5
Regarding 2), using a spectrophotometer, the respective plasma resonance absorption peak positions were measured after the central layer was formed, after the central layer was heat-treated, and after the upper layer was formed. The values obtained are summarized in Table 1.
【0061】実施例8
ターゲットをSrTiO3 としたほかは、実施例1と同
じスパッタ条件を用いて、合成石英ガラス基板上に膜厚
300A の下地層を成膜した。次いで、得られた下地層
の上に、実施例1と同様に、SrTiO3 ターゲットに
Auチップを乗せ、同時スパッタにより中央層を成膜し
た。Example 8 An underlayer having a film thickness of 300 A was formed on a synthetic quartz glass substrate under the same sputtering conditions as in Example 1 except that the target was SrTiO 3 . Then, an Au chip was placed on a SrTiO 3 target and a central layer was formed by co-sputtering on the obtained underlayer in the same manner as in Example 1.
【0062】得られた薄膜を、実施例1に記述した条件
で熱処理した。得られた熱処理後の薄膜(試料No. 6
1)について、分光光度計を用いて、中央層成膜後およ
び中央層熱処理後のそれぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク
位置を測定した。得られた値は表2にまとめて示した。The obtained thin film was heat-treated under the conditions described in Example 1. Obtained thin film after heat treatment (Sample No. 6
Regarding 1), the plasma resonance absorption peak positions after the central layer was formed and after the central layer was heat-treated were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 2.
【0063】[0063]
【表2】 [Table 2]
【0064】実施例9
ターゲットをSrTiO3 としたほかは、実施例1と同
じスパッタ条件を用いて、合成石英ガラス基板上に膜厚
300A の下地層を成膜した。この下地層を実施例1に
記述した条件で熱処理した。次いで、熱処理後の下地層
の上に実施例1と同様にSrTiO3 ターゲットにAu
チップを乗せ、同時スパッタにより中央層を成膜した。Example 9 An underlayer having a thickness of 300 A was formed on a synthetic quartz glass substrate under the same sputtering conditions as in Example 1 except that the target was SrTiO 3 . This underlayer was heat treated under the conditions described in Example 1. Then, on the underlayer after the heat treatment, Au was formed on the SrTiO 3 target as in Example 1.
A chip was placed and a central layer was formed by co-sputtering.
【0065】ここで得られた薄膜を、さらに実施例1に
記述した条件で熱処理した。得られた熱処理後の薄膜
(試料No. 62)について、分光光度計を用いて、中央
層成膜後および中央層熱処理後のそれぞれのプラズマ共
鳴吸収ピーク位置を測定した。得られた値は表2にまと
めて示した。The thin film obtained here was further heat-treated under the conditions described in Example 1. With respect to the obtained heat-treated thin film (Sample No. 62), the plasma resonance absorption peak positions after the center layer was formed and after the center layer was heat-treated were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 2.
【0066】実施例10
下地層および中央層成膜時のターゲットのうち、SrT
iO3 をBaTiO3に変えたほかは、実施例8と同じ
条件で成膜した。得られた熱処理後の薄膜(試料No. 7
1)について、分光光度計を用いて、中央層成膜後およ
び中央層熱処理後のそれぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク
位置を測定した。得られた値は表2にまとめて示した。Example 10 Among the targets for forming the underlayer and the central layer, SrT
In addition to changing the iO 3 to BaTiO 3 was deposited under the same conditions as in Example 8. Obtained thin film after heat treatment (Sample No. 7
Regarding 1), the plasma resonance absorption peak positions after the central layer was formed and after the central layer was heat-treated were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 2.
【0067】実施例11
下地層および中央層成膜時のターゲットのうち、SrT
iO3 をBaTiO3に変えたほかは、実施例9と同じ
条件で成膜した。得られた熱処理後の薄膜(試料No. 7
2)について、分光光度計を用いて、中央層成膜後およ
び中央層熱処理後のそれぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク
位置を測定した。得られた値は表2にまとめて示した。Example 11 Of the targets for forming the underlayer and the central layer, SrT
In addition to changing the iO 3 to BaTiO 3 was deposited under the same conditions as in Example 9. Obtained thin film after heat treatment (Sample No. 7
Regarding 2), the positions of the plasma resonance absorption peaks after the formation of the central layer and after the heat treatment of the central layer were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 2.
【0068】実施例12
下地層成膜時のターゲットをSrTiO3 とし、中央層
成膜時のターゲットのうち、SrTiO3 をBaTiO
3 に変えたほかは、実施例9と同じ条件で成膜した。得
られた熱処理後の薄膜(試料No. 81)について、分光
光度計を用いて、中央層成膜後および中央層熱処理後の
それぞれのプラズマ共鳴吸収ピーク位置を測定した。得
られた値は表2にまとめて示した。Example 12 SrTiO 3 was used as the target for forming the underlayer, and SrTiO 3 was BaTiO 3 among the targets for forming the central layer.
A film was formed under the same conditions as in Example 9 except that the number was changed to 3 . With respect to the obtained heat-treated thin film (Sample No. 81), the respective plasma resonance absorption peak positions after the center layer was formed and after the center layer was heat-treated were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 2.
【0069】実施例13
下地層成膜時のターゲットをBaTiO3 としたほか
は、実施例9と同様に成膜した。得られた熱処理後の薄
膜(試料No. 91)について、分光光度計を用いて、中
央層成膜後および中央層熱処理後のそれぞれのプラズマ
共鳴吸収ピーク位置を測定した。得られた値は表2にま
とめて示した。Example 13 A film was formed in the same manner as in Example 9 except that BaTiO 3 was used as the target for forming the underlayer. With respect to the obtained heat-treated thin film (Sample No. 91), the plasma resonance absorption peak positions after the center layer was formed and after the center layer was heat-treated were measured using a spectrophotometer. The values obtained are summarized in Table 2.
【0070】このようにして得られた試料のうち、中央
層に熱処理を施した薄膜は、前記測定法によりχ(3) 値
を測定した結果、10-7〜10-6esu であった。Among the samples thus obtained, the thin film of which the central layer was subjected to heat treatment had a χ (3) value of 10 -7 to 10 -6 esu as a result of measurement by the above-mentioned measuring method.
【0071】表1に示すように、中央層に強誘電体ある
いは高誘電体材料の上地層を設けることで、プラズマ共
鳴吸収ピーク位置はさらにシフトするが、SiO2 の上
地層を設けたものはシフトしない。また、表2に示した
下地層を設けたことによる効果は、例えば試料No. 61お
よび62のプラズマ吸収ピーク位置と、試料No. 11の中央
層の熱処理前後のプラズマ吸収ピーク位置とを比較した
時、中央層の膜厚は同じであるが、下地層を設けたこと
で(熱処理の有無にかかわらず)、さらにシフトする。
この傾向は組成を変えた試料No. 71および72と、試料N
o. 21または22とについても同様である。すなわち、下
地層を設けることでシフト巾がさらに変化していること
がわかる。[0071] As shown in Table 1, by providing the formation on the ferroelectric or high-dielectric material in the middle layer, plasma resonance absorption peak position further shifted, but those having a formation on the SiO 2 is Do not shift. Further, the effect of providing the underlayer shown in Table 2 was compared between the plasma absorption peak positions of Sample Nos. 61 and 62 and the plasma absorption peak positions of the central layer of Sample No. 11 before and after heat treatment. At this time, the film thickness of the central layer is the same, but it is further shifted by providing the base layer (regardless of the heat treatment).
This tendency is due to Sample Nos. 71 and 72 with different compositions and Sample N.
The same is true for o. 21 or 22. That is, it is understood that the shift width is further changed by providing the base layer.
【0072】[0072]
【発明の効果】本発明により、金属微粒子をマトリクス
中に分散させた非線形光学薄膜に関し、このプラズマ共
鳴吸収ピーク位置の波長シフト巾をさらに広げることが
でき、所望の励起波長に微調整することのできる非線形
光学薄膜を提供することができる。The present invention relates to a nonlinear optical thin film in which metal fine particles are dispersed in a matrix, and the wavelength shift width of the plasma resonance absorption peak position can be further widened, and fine adjustment to a desired excitation wavelength can be achieved. A non-linear optical thin film that can be provided can be provided.
【図1】SrTiO3-Au薄膜(試料No. 11)の透過吸
収スペクトルにおよぼす、熱処理および上地層の影響を
示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the influence of heat treatment and an upper layer on the transmission absorption spectrum of a SrTiO 3 —Au thin film (Sample No. 11).
【図2】SrTiO3-Au薄膜(試料No. 11)のX線回
折スペクトルにおよぼす、熱処理および上地層の影響を
示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the effects of heat treatment and an upper layer on the X-ray diffraction spectrum of a SrTiO 3 —Au thin film (Sample No. 11).
【図3】BaTiO3-Au薄膜(試料No. 21)の透過吸
収スペクトルにおよぼす、熱処理および上地層の影響を
示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the influence of heat treatment and upper layer on the transmission absorption spectrum of a BaTiO 3 —Au thin film (Sample No. 21).
【図4】BaTiO3-Au薄膜(試料No. 21)のX線回
折スペクトルにおよぼす、熱処理および上地層の影響を
示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the effects of heat treatment and an upper layer on the X-ray diffraction spectrum of a BaTiO 3 —Au thin film (Sample No. 21).
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−296026(JP,A) 特開 平3−69512(JP,A) 特開 平5−323398(JP,A) K.FUKUMI,Au+−Ion− Inplanted Silica G lass with Non−Line ar Optical Propert y,JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSIC S,Vol.30,No.4B,L742− L744 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/35 - 1/39 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) Reference JP-A-3-296026 (JP, A) JP-A-3-69512 (JP, A) JP-A-5-323398 (JP, A) K. FUKUMI, Au + -Ion- Implanted Silica G glass with non-Linear Optical Property, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vol. 30, No. 4B, L742-L744 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/35-1/39 JISST file (JOIS)
Claims (9)
スとして、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化
物のマトリックス中に金属微粒子の少なくとも1種が分
散されており、その上部側および/または下部側の表面
部の前記金属微粒子の含有率が中央部より低い非線形光
学薄膜。1. As a ferroelectric or high-dielectric matrix, at least one kind of metal fine particles is dispersed in a matrix of titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide, and its upper side and / or lower side. A non-linear optical thin film in which the content of the metal fine particles in the surface portion of the is lower than that in the central portion.
スとして、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化
物のマトリックス中に金属微粒子の少なくとも1種を分
散した中央層を成膜するとともに、その上部および/ま
たは下部に接して強誘電性あるいは高誘電性の材料の表
面層として、酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸
化物の表面層を成膜した非線形光学薄膜。2. As a ferroelectric or high-dielectric matrix, a central layer in which at least one kind of metal fine particles is dispersed in a matrix of titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide is formed, and the upper portion and A non-linear optical thin film in which a surface layer of titanium oxide or a complex oxide containing titanium oxide is formed as a surface layer of a ferroelectric or high-dielectric material in contact with the lower part.
スカイト型化合物のマトリックスあるいは高誘電性のマ
トリックスとして、酸化チタンまたは酸化チタンを含む
複合酸化物のマトリックス中に金属微粒子の少なくとも
1種を分散した中央層を成膜するとともに、その上部お
よび/または下部に接して強誘電性の材料の表面層とし
て、ペロブスカイト型化合物の表面層あるいは高誘電性
の材料の表面層として、酸化チタンまたは酸化チタンを
含む複合酸化物の表面層を成膜し、 前記表面層は、前記金属微粒子を前記中央層より少ない
含有率で含有する非線形光学薄膜。3. A central layer in which at least one kind of metal fine particles is dispersed in a matrix of a perovskite type compound as a ferroelectric matrix or a matrix of a high dielectric constant titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide. And a titanium oxide or a composite containing titanium oxide as a surface layer of a ferroelectric material, a surface layer of a perovskite-type compound or a surface layer of a high dielectric material in contact with the upper and / or lower portions of A non-linear optical thin film formed by forming a surface layer of an oxide, wherein the surface layer contains the metal fine particles in a content ratio lower than that of the central layer.
い請求項2の非線形光学薄膜。4. The nonlinear optical thin film according to claim 2, wherein the surface layer does not contain the metal fine particles.
なう請求項2〜4のいずれかの非線形光学薄膜。5. The nonlinear optical thin film according to claim 2, wherein the film formation is performed by a sputtering method.
たは材料は酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化
物である請求項3の非線形光学薄膜。6. The nonlinear optical thin film according to claim 3, wherein the ferroelectric matrix and / or material is titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide.
l%含有される請求項1〜6のいずれかの非線形光学薄
膜。7. The metal fine particles are contained in an amount of 1 to 80 vo over the entire thin film.
The nonlinear optical thin film according to claim 1, wherein the nonlinear optical thin film is contained in an amount of 1%.
はその合金である請求項1〜7のいずれかの非線形光学
薄膜。8. The nonlinear optical thin film according to claim 1, wherein the fine metal particles are Au, Ag, Cu or an alloy thereof.
ずれかの非線形光学薄膜。9. The nonlinear optical thin film according to claim 2, which is further heat-treated.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02626893A JP3372077B2 (en) | 1993-01-21 | 1993-01-21 | Nonlinear optical thin film |
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| US08/331,887 US5472777A (en) | 1992-05-19 | 1994-10-31 | Nonlinear optical thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02626893A JP3372077B2 (en) | 1993-01-21 | 1993-01-21 | Nonlinear optical thin film |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH06222411A JPH06222411A (en) | 1994-08-12 |
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ID=12188535
Family Applications (1)
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| JP (1) | JP3372077B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1993
- 1993-01-21 JP JP02626893A patent/JP3372077B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| K.FUKUMI,Au+−Ion−Inplanted Silica Glass with Non−Linear Optical Property,JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,Vol.30,No.4B,L742−L744 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06222411A (en) | 1994-08-12 |
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