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JP6544504B2 - Analyzer and electronic equipment - Google Patents
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
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Description

本発明は、分析装置及び電子機器に関する。   The present invention relates to an analyzer and an electronic device.

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。   BACKGROUND ART In the fields of medicine, health, environment, food, public safety, etc., there is a demand for a sensing technology for detecting a trace amount of substance with high sensitivity, high accuracy, quickness and simplicity. Trace amounts of substances to be sensed are extremely diverse. For example, biological compounds such as bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, various antigens and antibodies, and various compounds including inorganic molecules, organic molecules, and polymers It becomes an object of sensing. Conventionally, detection of trace substances has been performed through sampling, analysis and analysis, but since a dedicated device is required and the skill of the inspection worker is required, in-situ analysis has often been difficult. Therefore, it takes a long time (a few days or more) to obtain a test result. In the sensing technology, the demand for quickness and simplicity is very strong, and development of a sensor that can meet the demand is desired. For example, diagnosis of a patient who exhibits vomiting, diarrhea, fever at an airport etc. is urgently required to prevent the spread of infection. In addition, infection tests vary in whether they are bacteria or viruses, and it is important to rapidly identify the type of bacteria or virus to break 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)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)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。   Due to such requirements, various types of sensors including electrochemical methods have been studied in recent years, but surface plasmon resonance (for reasons of possible integration, low cost, and arbitrary measurement environment) There is growing interest in sensors using SPR). For example, it is known to detect the presence or absence of adsorption of a substance, such as the presence or absence of adsorption of an antigen in an antigen-antibody reaction, using SPR generated on a metal thin film provided on the surface of a total reflection prism. In addition, methods of detecting the Raman scattering of a substance attached to a sensor site and using the surface-enhanced Raman scattering (SERS) to identify the attached substance are also 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、ホットスポット密度(HSD)を高めた構造として、Disk−coupled dots−on−pillar antenna model(D2PAモデル)が提案されている。非特許文献1に開示された構造では、SiO2で形成されたピラーの側面に成長させた金のナノ粒子の間のギャップ(ナノギャップ)に生じる局在型プラズモン(LSP)を利用する方式を採用している。当該文献のFig.4をみると、ナノ粒子がない場合には、電場の増強度は、|E4/E0 4|〜105、すなわち、|E|〜17.8|E0|となっており、ナノ粒子がピラーの側面に存在する場合には、|E4/E0 4|〜107、すなわち、|E|〜56.2|E0|となっている。 As a structure of such a sensor, for example, Non-Patent Document 1 proposes a Disk-coupled dots-on-pillar antenna model (D2PA model) as a structure with an increased hotspot density (HSD). In the structure disclosed in Non-Patent Document 1, a method utilizing localized plasmons (LSP) generated in the gaps (nanogaps) between gold nanoparticles grown on the side surfaces of a pillar formed of SiO 2 is proposed. It is adopted. The reference of Fig. As seen from 4, in the absence of nanoparticles, the enhancement of the electric field is | E 4 / E 0 4 | ̃10 5 , ie, | E | ̃17.8 | E 0 | If particles are present on the side of the pillar, then | E 4 / E 0 4 | ̃10 7 , ie, | E | ̃56.2 | E 0 |.

OPTICS EXPRESS,Vol.19,No.5,2011,3925-3936OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 5, 2011, 3925-3936

しかしながら、上述の非特許文献1に開示された構造では、ナノ粒子を蒸着によって形成することから、ナノギャップのコントロールが困難であり、同文献にも、そのばらつきによるSERS増強の均一性は、22.4%と大きな値となることが報告されている。また、同文献のナノギャップは、5nm以下と狭いため、センシング物質(測定対象となる物質)のサイズが、例えば直径5nm以上と大きい場合には、ナノギャップに生じるホットスポットにセンシング物質が入り込むことできないため、SERS効果を十分に高める
ことができないという問題があった。
However, in the structure disclosed in the above-mentioned Non-Patent Document 1, since the nanoparticles are formed by vapor deposition, it is difficult to control the nanogaps, and also in this document, the uniformity of SERS enhancement due to the variation is 22 It is reported that the value is as high as .4%. In addition, since the nano gap in the same document is as narrow as 5 nm or less, when the size of the sensing substance (the substance to be measured) is large, for example, 5 nm or more in diameter, the sensing substance enters the hot spot generated in the nano gap There is a problem that the SERS effect can not be sufficiently enhanced because it is impossible.

本発明の幾つかの態様に係る目的の1つは、ホットスポットが電場増強素子の表面に露出し、且つプラズモン増強効果が高い分析装置及び電子機器を提供することにある。   One of the objects according to some aspects of the present invention is to provide an analysis device and an electronic device in which a hot spot is exposed on the surface of an electric field enhancing element and the plasmon enhancing effect is high.

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。   The present invention has been made to solve at least a part of the problems described above, and can be realized as the following aspects or application examples.

本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第1金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第1金属層と電気的に絶縁された第2金属層と、を含み、前記第2金属層は、第1方向に、第1ピッチP1で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第1方向と交差する第2方向に第2ピッチP2で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第1方向の直線偏光光、前記第2方向の直線偏光光、又は円偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第2金属層の配置は、下記式(1)の関係を満たし、
P1≦P2≦Q+P2/10 ・・・(1)
[ここで、Qは、下記式(2)で与えられる回析格子のピッチを表す。
One aspect of the analyzer according to the present invention is a substrate, a first metal layer formed on the substrate, a dielectric column formed above the substrate, and the first dielectric layer formed on the dielectric column. And a second metal layer electrically insulated from one metal layer, wherein the second metal layer forms a plurality of metal rows arranged in a first direction at a first pitch P1; An electric field enhancing element, arranged side by side at a second pitch P2 in a second direction intersecting the first direction, and linearly polarized light in the first direction, linearly polarized light in the second direction, in the electric field enhancing element A light source for irradiating incident light of light or circularly polarized light, and a detector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
The arrangement of the second metal layer of the electric field enhancing element satisfies the relationship of the following formula (1),
P1 ≦ P2 ≦ Q + P2 / 10 (1)
[Here, Q represents the pitch of the diffraction grating given by the following formula (2).

(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)]
前記第1金属層と前記第2金属層との間の距離G[nm]は、下記式(3)の関係を満たす。
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)]
The distance G [nm] between the first metal layer and the second metal layer satisfies the relationship of the following formula (3).

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm] ・・・(3)
[上記各式中、ωは、前記第2金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε(ω)は、前記第1金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第1金属層の周辺の誘電率、cは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、λiは、前記入射光の波長[nm]を表す。]
このような分析装置によれば、第2金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、前記電場増強素子によって形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第1金属層が第2金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
[In the above formulas, ω is the angular frequency of the localized plasmon excited in the row of the second metal layer, ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the first metal layer, ε is The dielectric constant around the first metal layer, c is the speed of light in vacuum, θ is the irradiation angle of the incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, λi is the front Represents the wavelength [nm] of the incident light. ]
According to such an analysis device, the end portions of the upper surface and the lower surface of the second metal layer are each provided with an electric field enhancing element having a structure capable of contacting the substance to be analyzed, and the electric field enhancing element The hot spots formed by are exposed on the device surface. Therefore, the substance to be analyzed is likely to be located at the hot spot. Furthermore, since the first metal layer is disposed in the vicinity of the second metal layer, the resonance effect of the localized plasmon and the propagating plasmon can be generated. Therefore, the degree of enhancement of light based on plasmons is very large, and substances to be analyzed can be analyzed with extremely high sensitivity.

本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第1金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第1金属層と電気的に絶縁された第2金属層と、を含み、前記第2金属層は、第1方向に、第1ピッチP1で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第1方向と交差する第2方向に第2ピッチP2で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第1方向の直線偏光光、前記第2方向の直線偏光光、又は円偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第2金属層の配置は、下記式(1)の関係を満たし、
P1≦P2≦Q+P2/10 ・・・(1)
[ここで、Qは、下記式(2)で与えられる回析格子のピッチを表す。
One aspect of the analyzer according to the present invention is a substrate, a first metal layer formed on the substrate, a dielectric column formed above the substrate, and the first dielectric layer formed on the dielectric column. And a second metal layer electrically insulated from one metal layer, wherein the second metal layer forms a plurality of metal rows arranged in a first direction at a first pitch P1; An electric field enhancing element, arranged side by side at a second pitch P2 in a second direction intersecting the first direction, and linearly polarized light in the first direction, linearly polarized light in the second direction, in the electric field enhancing element A light source for irradiating incident light of light or circularly polarized light, and a detector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
The arrangement of the second metal layer of the electric field enhancing element satisfies the relationship of the following formula (1),
P1 ≦ P2 ≦ Q + P2 / 10 (1)
[Here, Q represents the pitch of the diffraction grating given by the following formula (2).

(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)]
前記基板の屈折率をnとしたときに、下記式(4)の関係を満たす、分析装置。
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)]
The analyzer which satisfy | fills the relationship of following formula (4), when the refractive index of the said board | substrate is set to n.

0.9・ε1/2≦n≦1.1・ε1/2 ・・・(4)
[上記各式中、ωは、前記第2金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε(ω)は、前記第1金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第1金属層の周辺の誘電率、cは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、nは、前記基板の屈折率を表す。]
このような分析装置によれば、第2金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、前記電場増強素子によって形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第1金属層が第2金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
0.9 · ε 1/2 ≦ n ≦ 1.1 · ε 1/2 (4)
[In the above formulas, ω is the angular frequency of the localized plasmon excited in the row of the second metal layer, ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the first metal layer, ε is The dielectric constant around the first metal layer, c is the speed of light in vacuum, θ is the irradiation angle of the incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, n is the above Represents the refractive index of the substrate. ]
According to such an analysis device, the end portions of the upper surface and the lower surface of the second metal layer are each provided with an electric field enhancing element having a structure capable of contacting the substance to be analyzed, and the electric field enhancing element The hot spots formed by are exposed on the device surface. Therefore, the substance to be analyzed is likely to be located at the hot spot. Furthermore, since the first metal layer is disposed in the vicinity of the second metal layer, the resonance effect of the localized plasmon and the propagating plasmon can be generated. Therefore, the degree of enhancement of light based on plasmons is very large, and substances to be analyzed can be analyzed with extremely high sensitivity.

本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第1金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第1金属層と電気的に絶縁された第2金属層と、を含み、前記第2金属層は、第1方向に、第1ピッチP1で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第1方向と交差する第2方向に第2ピッチP2で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第1方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第2金属層の配置は、下記式(5)の関係を満たし、
P1<P2≦Q+P1 ・・・(5)
[ここで、Qは、下記式(2)で与えられる回析格子のピッチを表す。
One aspect of the analyzer according to the present invention is a substrate, a first metal layer formed on the substrate, a dielectric column formed above the substrate, and the first dielectric layer formed on the dielectric column. And a second metal layer electrically insulated from one metal layer, wherein the second metal layer forms a plurality of metal rows arranged in a first direction at a first pitch P1; An electric field enhancing element, arranged side by side at a second pitch P2 in a second direction intersecting the first direction, and a light source for irradiating the electric field enhancing element with incident light of linearly polarized light in the first direction A detector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
The arrangement of the second metal layer of the electric field enhancing element satisfies the relationship of the following formula (5),
P1 <P2 ≦ Q + P1 (5)
[Here, Q represents the pitch of the diffraction grating given by the following formula (2).

(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)]
前記第1金属層と前記第2金属層との間の距離G[nm]は、下記式(3)の関係を満たす、分析装置。
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)]
The analyzer whose distance G [nm] between the said 1st metal layer and the said 2nd metal layer satisfy | fills the relationship of following formula (3).

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm] ・・・(3)
[上記各式中、ωは、前記第2金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε(ω)は、前記第1金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第1金属層の周辺の誘電率、cは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、λiは、前記入射光の波長[nm]を表す。]
このような分析装置によれば、第2金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、当該電場増強素子に形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第1金属層が第2金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
[In the above formulas, ω is the angular frequency of the localized plasmon excited in the row of the second metal layer, ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the first metal layer, ε is The dielectric constant around the first metal layer, c is the speed of light in vacuum, θ is the irradiation angle of the incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, λi is the front Represents the wavelength [nm] of the incident light. ]
According to such an analysis device, the end portions of the upper surface and the lower surface of the second metal layer are each provided with an electric field enhancing element having a structure capable of contacting the substance to be analyzed, and the electric field enhancing element Hot spots formed on the surface of the device are exposed on the device surface. Therefore, the substance to be analyzed is likely to be located at the hot spot. Furthermore, since the first metal layer is disposed in the vicinity of the second metal layer, the resonance effect of the localized plasmon and the propagating plasmon can be generated. Therefore, the degree of enhancement of light based on plasmons is very large, and substances to be analyzed can be analyzed with extremely high sensitivity.

本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第1金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第1金属層と電気的に絶縁された第2金属層と、を含み、前記第2金属層は、第1方向に、第1ピッチP1
で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第1方向と交差する第2方向に第2ピッチP2で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第1方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第2金属層の配置は、下記式(6)の関係を満たし、
P1<P2≦Q+P2/10 ・・・(6)
[ここで、Qは、下記式(2)で与えられる回析格子のピッチを表す。
One aspect of the analyzer according to the present invention is a substrate, a first metal layer formed on the substrate, a dielectric column formed above the substrate, and the first dielectric layer formed on the dielectric column. A second metal layer electrically isolated from the first metal layer, the second metal layer having a first pitch P1 in a first direction;
A plurality of metal lines are arranged side by side, and the metal lines are arranged side by side at a second pitch P2 in a second direction intersecting the first direction, the electric field enhancing element, the electric field enhancing element, A light source for irradiating incident light of linearly polarized light in a first direction, and a detector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
The arrangement of the second metal layer of the electric field enhancing element satisfies the relationship of the following formula (6),
P1 <P2 ≦ Q + P2 / 10 (6)
[Here, Q represents the pitch of the diffraction grating given by the following formula (2).

(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)]
前記基板の屈折率をnとしたときに、下記式(4)の関係を満たす、分析装置。
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)]
The analyzer which satisfy | fills the relationship of following formula (4), when the refractive index of the said board | substrate is set to n.

0.9・ε1/2≦n≦1.1・ε1/2 ・・・(4)
[上記各式中、ωは、前記第2金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε(ω)は、前記第1金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第1金属層の周辺の誘電率、cは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、nは、前記基板の屈折率を表す。]
このような分析装置によれば、第2金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、当該電場増強素子に形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第1金属層が第2金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
0.9 · ε 1/2 ≦ n ≦ 1.1 · ε 1/2 (4)
[In the above formulas, ω is the angular frequency of the localized plasmon excited in the row of the second metal layer, ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the first metal layer, ε is The dielectric constant around the first metal layer, c is the speed of light in vacuum, θ is the irradiation angle of the incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, n is the above Represents the refractive index of the substrate. ]
According to such an analysis device, the end portions of the upper surface and the lower surface of the second metal layer are each provided with an electric field enhancing element having a structure capable of contacting the substance to be analyzed, and the electric field enhancing element Hot spots formed on the surface of the device are exposed on the device surface. Therefore, the substance to be analyzed is likely to be located at the hot spot. Furthermore, since the first metal layer is disposed in the vicinity of the second metal layer, the resonance effect of the localized plasmon and the propagating plasmon can be generated. Therefore, the degree of enhancement of light based on plasmons is very large, and substances to be analyzed can be analyzed with extremely high sensitivity.

本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第1金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第1金属層と電気的に絶縁された第2金属層と、を含み、前記第2金属層は、第1方向に、第1ピッチP1で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第1方向と交差する第2方向に第2ピッチP2で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第2方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第2金属層の配置は、下記式(5)の関係を満たし、
P1<P2≦Q+P1 ・・・(5)
[ここで、Qは、下記式(2)で与えられる回析格子のピッチを表す。
One aspect of the analyzer according to the present invention is a substrate, a first metal layer formed on the substrate, a dielectric column formed above the substrate, and the first dielectric layer formed on the dielectric column. And a second metal layer electrically insulated from one metal layer, wherein the second metal layer forms a plurality of metal rows arranged in a first direction at a first pitch P1; An electric field enhancing element, arranged side by side at a second pitch P2 in a second direction intersecting the first direction, and a light source for irradiating the electric field enhancing element with incident light of linearly polarized light in the second direction A detector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
The arrangement of the second metal layer of the electric field enhancing element satisfies the relationship of the following formula (5),
P1 <P2 ≦ Q + P1 (5)
[Here, Q represents the pitch of the diffraction grating given by the following formula (2).

(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)]
前記第1金属層と前記第2金属層との間の距離G[nm]は、下記式(7)の関係を満たす、分析装置。
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)]
The analyzer whose distance G [nm] between the said 1st metal layer and the said 2nd metal layer satisfy | fills the relationship of following formula (7).

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦220[nm]・λi/785[nm] ・・・(7)
[上記各式中、ωは、前記第2金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε(ω)は、前記第1金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第1金属層の周辺の誘電率、cは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、λiは、前記入射光の波長[nm]を表す。]
このような分析装置によれば、第2金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、当該電場増強素子に形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物
質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第1金属層が第2金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <= 220 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (7)
[In the above formulas, ω is the angular frequency of the localized plasmon excited in the row of the second metal layer, ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the first metal layer, ε is The dielectric constant around the first metal layer, c is the speed of light in vacuum, θ is the irradiation angle of the incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, λi is the front Represents the wavelength [nm] of the incident light. ]
According to such an analysis device, the end portions of the upper surface and the lower surface of the second metal layer are each provided with an electric field enhancing element having a structure capable of contacting the substance to be analyzed, and the electric field enhancing element Hot spots formed on the surface of the device are exposed on the device surface. Therefore, the substance to be analyzed is likely to be located at the hot spot. Furthermore, since the first metal layer is disposed in the vicinity of the second metal layer, the resonance effect of the localized plasmon and the propagating plasmon can be generated. Therefore, the degree of enhancement of light based on plasmons is very large, and substances to be analyzed can be analyzed with extremely high sensitivity.

本発明に係る分析装置において、前記検出器は、前記電場増強素子によって増強されたラマン散乱光を検出してもよい。   In the analyzer according to the present invention, the detector may detect the Raman scattered light enhanced by the electric field enhancing element.

このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい電場増強素子を備えているため、ラマン散乱光を十分に増強することができ、微量物質の同定を容易に行うことができる。   According to such an analysis apparatus, since the electric field enhancing element having a large enhancement degree of light based on plasmons is provided, the Raman scattered light can be sufficiently enhanced, and the identification of a trace substance can be easily performed. .

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。   One aspect of an electronic device according to the present invention is an analysis device described above, a calculation unit that calculates health care information based on detection information from the detector, a storage unit that stores the health care information, and the health And a display unit for displaying medical information.

このような電子機器によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい電場増強素子を備えており、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。   According to such an electronic device, the electric field enhancing element having a large degree of light enhancement based on plasmons can be provided, a trace substance can be easily detected, and highly accurate health care information can be provided. .

本発明の電子機器において、前記健康医療情報は、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んでもよい。   In the electronic device of the present invention, the health care information is selected from at least one biological substance selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens and antibodies, or inorganic molecules and organic molecules. Information regarding the presence or absence or amount of at least one compound may also be included.

このような電子機器によれば、有用な健康医療情報を提供することができる。   According to such an electronic device, useful health care information can be provided.

実施形態の電場増強素子を模式的に示す斜視図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The perspective view which shows the electric field enhancing element of embodiment typically. 実施形態の電場増強素子を第1金属層の厚さ方向から見た模式図。The schematic diagram which looked at the electric field enhancing element of the embodiment from the thickness direction of the first metal layer. 実施形態の電場増強素子の第1方向に垂直な断面の模式図。The schematic diagram of the cross section perpendicular | vertical to the 1st direction of the electric field enhancement element of embodiment. 実施形態の電場増強素子の第2方向に垂直な断面の模式図。The schematic diagram of a cross section perpendicular | vertical to the 2nd direction of the electric field enhancement element of embodiment. 実施形態の電場増強素子を第1金属層の厚さ方向から見た模式図。The schematic diagram which looked at the electric field enhancing element of the embodiment from the thickness direction of the first metal layer. 実施形態の変形例の電場増強素子の第1方向に垂直な断面の模式図。The schematic diagram of a cross section perpendicular | vertical to the 1st direction of the electric field enhancement element of the modification of embodiment. 電場増強素子の金属列の一例を示す平面的な模式図。The planar schematic diagram which shows an example of the metal row of an electric field enhancement element. 電場増強素子の金属列の一例を示す平面的な模式図。The planar schematic diagram which shows an example of the metal row of an electric field enhancement element. 入射光並びに金及び銀の分散曲線を示す分散関係のグラフ。Graph of dispersion relationship showing the incident light and dispersion curves of gold and silver. Agの誘電率と波長の関係を示すグラフ。A graph showing the relationship between the dielectric constant of Ag and the wavelength. 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を示すグラフ。The graph which shows the dispersion relation of the dispersion curve of a metal, localized plasmon, and incident light. 実施形態の電場増強素子の要部を、GSPPモデルと比較して示す模式図。The schematic diagram which shows the principal part of the electric field enhancement element of embodiment compared with a GSPP model. 第2金属層の配列と、LSP及びPSPとの関係を示す模式図。The schematic diagram which shows the relationship between arrangement | sequence of a 2nd metal layer, and LSP and PSP. 実施形態の分析装置の概略図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Schematic of the analyzer of embodiment. 実施形態の電子機器の概略図。Schematic of the electronic device of embodiment. 実験例に係るモデルの一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the model which concerns on an experiment example. 実験例に係るモデルの反射率及びSQRTの波長特性を示すグラフ。The graph which shows the reflectance of the model which concerns on an experiment example, and the wavelength characteristic of SQRT. 実験例に係る増強電場の波長特性及び発生位置を示すグラフ。The graph which shows the wavelength characteristic and generation | occurrence | production position of the enhancement electric field which concern on an experiment example. X600Y600モデルの反射率のピーク波長及びギャップG依存性を示すグラフ。The graph which shows the peak wavelength of the reflectance of a X600Y600 model, and gap G dependence. X780Y780モデルの反射率及びSQRTのギャップG依存性を示すグラフ。The graph which shows the reflectance of X780Y780 model, and the gap G dependence of SQRT. X780Y780160D20T_AG_80Gモデルの基板をPMMAとした場合と空気とした場合のSQRTの波長特性のグラフ。The graph of the wavelength characteristic of SQRT when the substrate of X780Y780160D20T_AG_80G model is made into PMMA, and when it is made into air. AG及びAUのX780Y180モデル及びX600Y180モデルのSQRTのギャップG依存性を示すグラフ。The graph which shows the gap G dependence of SQRT of X780Y180 model of AG and AU, and X600Y180 model. 1ライン⊥モデルのニアフィールド特性のギャップG依存性を示すグラフ。The graph which shows the gap G dependence of the near-field characteristic of 1 line ⊥ model. 1ライン⊥モデルのニアフィールド特性のギャップG依存性を示すグラフ。The graph which shows the gap G dependence of the near-field characteristic of 1 line ⊥ model. 実験例に係るモデルを模式的に示す図。The figure which shows the model which concerns on an experiment example typically. 貫通モデルと非貫通モデルのSQRTの波長特性を示すグラフ。The graph which shows the wavelength characteristic of SQRT of penetration model and non penetration model. 貫通モデルと非貫通モデルのSQRTの波長特性を示すグラフ。The graph which shows the wavelength characteristic of SQRT of penetration model and non penetration model. 貫通モデルと非貫通モデルのSQRTの波長特性を示すグラフ。The graph which shows the wavelength characteristic of SQRT of penetration model and non penetration model. 実験例に係るモデルの規格化された反射率特性を示すグラフ。The graph which shows the normalized reflectance characteristic of the model concerning an example of an experiment. 実験例に係る分散関係のグラフ。Graph of dispersion relation concerning an example of an experiment. 実験例に係るモデルの増強度プロファイルを示すグラフ。The graph which shows the enhancement degree profile of the model which concerns on an experiment example. 実験例に係る分散関係のグラフ。Graph of dispersion relation concerning an example of an experiment.

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。   Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described. The embodiment described below is an example of the present invention. The present invention is not limited to the following embodiments at all, and includes various modifications implemented without departing from the scope of the present invention. Note that not all of the configurations described below are necessarily essential configurations of the present invention.

1.電場増強素子
図1は、本実施形態の電場増強素子100の斜視図である。図2は、本実施形態の電場増強素子100を平面的に見た(第1金属層10の厚さ方向から見た)模式図である。図3及び図4は、本実施形態の電場増強素子100の断面の模式図である。図5は、本実施形態の電場増強素子100の他の態様の例を第1金属層10の厚さ方向から見た模式図である。図5は、実施形態の電場増強素子を第1金属層の厚さ方向から見た模式図である。図6は、実施形態の変形例の電場増強素子の第1方向に垂直な断面の模式図である。図7及び図8は、第2金属列の一例を示す平面的な模式図である。本実施形態の電場増強素子100は、第1金属層10と、第1金属層10の表面を貫通して形成された誘電体柱20の上に配置された第2金属層30と、を含む。
1. Electric field enhancing element FIG. 1 is a perspective view of an electric field enhancing element 100 according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic view in which the electric field enhancing element 100 of the present embodiment is viewed in plan (as viewed in the thickness direction of the first metal layer 10). FIG.3 and FIG.4 is a schematic diagram of the cross section of the electric field enhancement element 100 of this embodiment. FIG. 5 is a schematic view of another example of the electric field enhancing element 100 of the present embodiment as viewed from the thickness direction of the first metal layer 10. FIG. 5 is a schematic view of the electric field enhancing element of the embodiment as viewed from the thickness direction of the first metal layer. FIG. 6 is a schematic view of a cross section perpendicular to the first direction of the electric field enhancing element of the modification of the embodiment. 7 and 8 are schematic plan views showing an example of the second metal row. The electric field enhancing element 100 of the present embodiment includes a first metal layer 10 and a second metal layer 30 disposed on a dielectric pillar 20 formed through the surface of the first metal layer 10. .

1.1.第1金属層
第1金属層10は、光を透過しない又は半透過する金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えばフィルム、層又は膜の形状とすることができる。第1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、第1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の第1金属層10が設けられる面の形状も特に限定されない。第1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、第1金属層10の表面を平面とする場合には、対応する部分の表面を平面としてもよい。図1〜図5の例では、基板1の表面(平面)の上に第1金属層10が設けられている。
1.1. First Metal Layer The first metal layer 10 is not particularly limited as long as it provides a surface of a metal which does not transmit light or is semi-transparent, and can be, for example, a film, a layer or a film. The first metal layer 10 may be provided, for example, on the substrate 1. The substrate 1 in this case is not particularly limited, but a substrate that hardly affects the propagation type plasmon excited in the first 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 of the substrate 1 on which the first metal layer 10 is provided is not particularly limited. When forming a regular structure on the surface of the first metal layer 10, it may have a surface corresponding to the regular structure, or when the surface of the first metal layer 10 is a plane, The surface may be flat. In the examples of FIGS. 1 to 5, the first metal layer 10 is provided on the surface (planar surface) of the substrate 1.

基板1の屈折率nは、特定の条件において、第1金属層10の周辺誘電率の平方根に近い値となるように選ぶことで、高い電場増強度を得ることができる。このことについての詳細は後述する。   By selecting the refractive index n of the substrate 1 to be a value close to the square root of the peripheral dielectric constant of the first metal layer 10 under specific conditions, a high degree of electric field enhancement can be obtained. Details of this will be described later.

また、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。   Also, although the expression plane is used, such expression does not indicate that the surface is a smooth (smooth) mathematically exact plane without slight unevenness. For example, there may be unevenness on the surface due to atoms making up or unevenness due to secondary structures (crystals, grain agglomerates, grain boundaries, etc.) of the material to be formed, microscopically It may not be a strict plane if it sees. However, even in such a case, when viewed from a more macroscopic viewpoint, these asperities become inconspicuous, and the surface can be observed to such an extent that it can be referred to as a plane. Therefore, in the present 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、第1金属層10の厚さ方向は、後述の第2金属層30の厚さ方向と一致していてもよい。本明細書では、第1金属層10の厚さ方向を、後述する誘電体柱20、第2金属層30について述べる場合などにおいて、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。また、例えば、第1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、厚み方向又は高さ方向と称する場合がある。さらに、基板1からみて、第1金属層10側の方向を上、又は上方と表現し、その逆方向を下、又は下方と表現する場合がある。   Further, in the present embodiment, the thickness direction of the first metal layer 10 may coincide with the thickness direction of the second metal layer 30 described later. In the present specification, the thickness direction of the first metal layer 10 may be referred to as a thickness direction, a height direction, or the like in the case of describing the dielectric pillar 20 and the second metal layer 30 described later. Further, for example, when the first 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, a thickness direction, or a height direction. Furthermore, viewed from the substrate 1, the direction on the first metal layer 10 side may be expressed as upper or upper, and the opposite direction may be expressed as lower or lower.

第1金属層10は、後述する誘電体柱20によって、貫通されてもよいし、貫通されなくてもよい。貫通されない態様としては、第1金属層10の上に、誘電体柱20が載置される場合と、第1金属層10が厚い場合に、第1金属層10の表面側に誘電体柱20の下部が埋込まれる場合と、を含む。   The first metal layer 10 may or may not be penetrated by a dielectric post 20 described later. As a mode which is not penetrated, when the dielectric pillar 20 is placed on the first metal layer 10 and when the first metal layer 10 is thick, the dielectric pillar 20 is formed on the surface side of the first metal layer 10. And the case where the lower part of the is embedded.

第1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。また、第1金属層10は、後述の第2金属層30と同一の工程で形成されてもよい。第1金属層10が薄膜状に基板1の上に設けられる場合には、誘電体柱20を除く基板1の平面全体に設けられてもよいし基板1の一部に設けられてもよい。第1金属層10の厚みは、第1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 first metal layer 10 can be formed by, for example, a method such as vapor deposition, sputtering, casting, or machining. In addition, the first metal layer 10 may be formed in the same step as the second metal layer 30 described later. When the first metal layer 10 is provided on the substrate 1 in the form of a thin film, the first metal layer 10 may be provided on the entire plane of the substrate 1 excluding the dielectric pillar 20 or on a part of the substrate 1. The thickness of the first metal layer 10 is not particularly limited as long as propagation plasmons can be excited in the first metal layer 10, and for example, 10 nm or more and 1 mm or less, preferably 20 nm or more and 100 μm or less, more preferably 30 nm or more and 1 μm or less can do.

第1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しうる金属、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、銀、金、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。   The first metal layer 10 is a metal that can have an electric field oscillating in an opposite phase with an electric field applied by incident light and a polarization induced by the electric field, that is, when a specific electric field is applied, Constructed by a metal whose real part of the dielectric function has a negative value (has a negative dielectric constant) and the dielectric constant of the imaginary part has a dielectric constant smaller than the absolute value of the dielectric constant of the real part Ru. Examples of metals that can have such a dielectric constant in the visible light range include silver, gold, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof.

第1金属層10は、本実施形態の電場増強素子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。第1金属層10に後述する条件で光を入射することにより、第1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、第1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)と称することがある。第1金属層10に発生した伝搬型プラズモンは、後述の第2金属層30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 first metal layer 10 has a function of generating propagating plasmons in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment. By causing light to be incident on the first metal layer 10 under the conditions to be described later, propagation type plasmons are generated in the vicinity of the surface (end face in the thickness direction) of the first metal layer 10. Further, in the present specification, a quantum of vibration in which the vibration of the charge near the surface of the first metal layer 10 and the electromagnetic wave are coupled may be referred to as surface plasmon polariton (SPP). The propagation type plasmons generated in the first metal layer 10 can interact (hybridize) with localized plasmons generated in the second metal layer 30 described below under certain conditions.

1.2.誘電体柱
誘電体柱20は、基板1の上方に設けられる。本明細書では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下、「A」という)の「上方」に他の特定のもの(以下、「B」という)を形成する」などと用いる場合に、A上に直接Bを形成するような場合と、A上に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という
文言を用いる。
1.2. Dielectric Column The dielectric column 20 is provided above the substrate 1. In the present specification, the wording "upper" may be, for example, "to form another specific one (hereinafter referred to as" B ")" above "the specific one (hereinafter referred to as" A "), etc. When used, the term "upper" is used as it includes the case where B is formed directly on A and the case where B is formed on another via A.

また、「上」、「下」等の文言は、電場増強素子の設置状態に依存した上下関係を意図した文言ではなく、電場増強素子の設置状態にかかわらず、基板が下に存在する状態で見た(基板が下に来るように視野を採った)場合における上下関係を意図した文言である。したがって、例えば、仮に、重力の作用する方向が下となるように見た場合、基板が上方、誘電体柱が下方となるように電場増強素子が設置されているとしても、基板の上方に誘電体柱があるということの意味は、基板が下方に位置するように視野を選び(すなわちこの場合には重力の作用する方向が上となるように見て)、文言どおり基板の上方に誘電体柱が位置すると解することとする。   Moreover, the words "upper", "lower", etc. are not words intended for the vertical relation depending on the installation state of the electric field enhancing element, and the substrate is in the lower state regardless of the installation state of the electric field enhancing element. This is a term that is intended for the upper and lower relationship in the case of seeing (the field of view was taken so that the substrate is below). Therefore, for example, if it is seen that the direction of gravity action is downward, even if the electric field enhancing element is installed such that the substrate is upward and the dielectric column is downward, the dielectric is raised above the substrate. The meaning of the presence of the column is to choose the field of view so that the substrate is below (ie in this case the direction of gravity acting upwards) and literally the dielectric above the substrate It is understood that a pillar is located.

誘電体柱20が基板1の上方に設けられるとは、誘電体柱20が基板1に接して設けられる場合と、誘電体柱20が基板1から離間して設けられる場合とを含む。誘電体柱20が基板1に接して設けられる場合には、誘電体柱20は、第1金属層10を貫通して設けられる。この場合には、誘電体柱20は、基板1と一体的に設けられてもよいし、別体で設けられてもよい。また、誘電体柱20が基板1から離間して上方に設けられる態様としては、第1金属層10上に誘電体柱20が設けられる、すなわち、誘電体柱20が基板1の上方に、第1金属層10を介して設けられる態様が挙げられる。この場合には、誘電体柱20は、第1金属層10以外の他の部材や、第1金属層10の他に他の部材を介して基板1に設けられてもよい(図6参照)。   The provision of the dielectric pillar 20 above the substrate 1 includes the case where the dielectric pillar 20 is provided in contact with the substrate 1 and the case where the dielectric pillar 20 is provided apart from the substrate 1. When the dielectric pillar 20 is provided in contact with the substrate 1, the dielectric pillar 20 is provided to penetrate the first metal layer 10. In this case, the dielectric post 20 may be provided integrally with the substrate 1 or may be provided separately. In addition, as an aspect in which the dielectric pillar 20 is provided above the substrate 1 with being separated from the substrate 1, the dielectric pillar 20 is provided on the first metal layer 10, that is, the dielectric pillar 20 is provided above the substrate 1. The aspect provided through 1 metal layer 10 is mentioned. In this case, the dielectric post 20 may be provided on the substrate 1 via another member other than the first metal layer 10 or other members besides the first metal layer 10 (see FIG. 6). .

図1、3、4の例では、誘電体柱20は、第1金属層10の表面を貫通して設けられている(本明細書ではこのようなモデルを貫通モデルということがある。)。そして、誘電体柱20の上に第2金属層30が配置される。したがって、第1金属層10と第2金属層30とは、空間的に隔てて配置されている。図6の例では、誘電体柱20は、第1金属層10の上に設けられている。この例においても、誘電体柱20の上に第2金属層30が配置される(本明細書ではこのようなモデルを非貫通モデルということがある。)。したがって、第1金属層10と第2金属層30とは、空間的に隔てて配置されている。   In the examples of FIGS. 1, 3 and 4, the dielectric pillar 20 is provided to penetrate the surface of the first metal layer 10 (in this specification, such a model may be referred to as a penetration model). Then, the second metal layer 30 is disposed on the dielectric post 20. Therefore, the first metal layer 10 and the second metal layer 30 are spatially separated. In the example of FIG. 6, the dielectric post 20 is provided on the first metal layer 10. Also in this example, the second metal layer 30 is disposed on the dielectric pillar 20 (in this specification, such a model may be referred to as a non-penetration model). Therefore, the first metal layer 10 and the second metal layer 30 are spatially separated.

本実施形態の電場増強素子100では、誘電体柱20が基板1と接して配置されても、基板1から離間して配置されても同様の作用・機能を発揮することができる。以下、図1、3、4の例のように、誘電体柱20が、第1金属層10の表面を貫通して設けられている場合について説明する。   In the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, even if the dielectric pillar 20 is disposed in contact with the substrate 1 or is disposed away from the substrate 1, the same function and function can be exhibited. Hereinafter, as in the examples of FIGS. 1, 3 and 4, the case where the dielectric pillar 20 is provided to penetrate the surface of the first metal layer 10 will be described.

誘電体柱20の形状は、第1金属層10の上側表面から突出する形状であって、誘電体柱20の上に第2金属層30を配置できる形状であれば、特に限定されない。誘電体柱20の形状としては、例えば、柱状、錐台状、逆錐台状、こぶ(bump)状などが挙げられる。誘電体柱20を基板1の表面に平行な面で切った断面の形状(輪郭形状)は、円、楕円、多角形又はそれらを組み合わせたものとすることができ、係る断面の形状や大きさ(寸法:サイズ)は、基板1の表面からの当該断面の位置に依存して変化してもよい。   The shape of the dielectric post 20 is not particularly limited as long as it is a shape that protrudes from the upper surface of the first metal layer 10 and can be disposed on the dielectric post 20. Examples of the shape of the dielectric column 20 include a columnar shape, a frustum shape, an inverted frustum shape, and a bump shape. The shape (contour shape) of the cross section obtained by cutting the dielectric column 20 in a plane parallel to the surface of the substrate 1 can be a circle, an ellipse, a polygon or a combination thereof, and the shape and size of the cross section The (size: size) may vary depending on the position of the cross section from the surface of the substrate 1.

誘電体柱20は、第1金属層10が薄膜である場合に、基板1と一体的に形成されてもよい。図1ないし図4の例では、誘電体柱20は、基板1と一体的に形成されている。誘電体柱20の材質は、基板1と同じでも異なってもよい。   The dielectric pillar 20 may be integrally formed with the substrate 1 when the first metal layer 10 is a thin film. In the example of FIGS. 1 to 4, the dielectric pillars 20 are formed integrally with the substrate 1. The material of the dielectric column 20 may be the same as or different from that of the substrate 1.

誘電体柱20は、例えば、基板1を成形する際に形成されてもよい。また、誘電体柱20は、例えば、蒸着、スパッタ、CVD、各種コーティング等と、フォトリソグラフィーの手法を組合わせる方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法等にて形成されてもよい。また、誘電体柱20は、第1金属層10が形成された後に、フォトリソグラフィー等によって第1金属層10に貫通または非貫通の穴を形成し、当該穴に埋込ま
れるように形成されてもよい。誘電体柱20は、第1金属層10を形成する前に形成されてもよい。誘電体柱20が第1金属層10の形成前に形成される場合には、第1金属層10と、第2金属層30とを一の工程で形成することができる場合があり、電場増強素子100の製造を効率的に行うことができる場合がある。
The dielectric post 20 may be formed, for example, when molding the substrate 1. In addition, the dielectric column 20 may be formed by, for example, a method combining a method of photolithography with vapor deposition, sputtering, CVD, various coatings, and the like, a microcontact printing method, a nanoimprinting method, and the like. In addition, after the first metal layer 10 is formed, the dielectric post 20 is formed so as to form a through or non-through hole in the first metal layer 10 by photolithography or the like, and to be embedded in the hole It is also good. The dielectric pillars 20 may be formed before forming the first metal layer 10. In the case where the dielectric pillar 20 is formed before the formation of the first metal layer 10, the first metal layer 10 and the second metal layer 30 may be able to be formed in one step. In some cases, the device 100 can be manufactured efficiently.

本明細書では、第1金属層10の「上面」の位置から、第2金属層30の下面の位置までの、第1金属層10の厚さ方向における距離(第1金属層10と第2金属層30との間の距離G)のことを「ギャップ」と称する場合があり、図面等において「G」と表示する場合がある。距離Gは、第1金属層10の伝搬型プラズモンと、第2金属層30の局在型プラズモンとが相互作用できるように設定される。   In the present specification, the distance in the thickness direction of the first metal layer 10 from the position of the “upper surface” of the first metal layer 10 to the position of the lower surface of the second metal layer 30 (the first metal layer 10 and the second metal layer 10 The distance G) between the metal layer 30 and the metal layer 30 may be referred to as a "gap" and may be indicated as "G" in the drawings and the like. The distance G is set so that the propagation type plasmon of the first metal layer 10 and the localized type plasmon of the second metal layer 30 can interact.

第1金属層10と第2金属層30との間の距離G[nm]は、特定の条件ごとに、好適な範囲がある。このことについての詳細は後述する。   The distance G [nm] between the first metal layer 10 and the second metal layer 30 has a preferred range for each specific condition. Details of this will be described later.

誘電体柱20の平面的な大きさ(寸法)(誘電体柱20の高さ方向に直交する方向の大きさ)は、誘電体柱20をその高さ方向に平行な平面によって切ることができる特定方向の区間の長さを指し、例えば、5nm以上200nm以下である。例えば、誘電体柱20の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、誘電体柱20の大きさ(円柱の直径)は、10nm以上200nm以下、好ましくは20nm以上150nm以下、より好ましくは25nm以上100nm以下、さらに好ましくは30nm以上72nm以下である。さらに、誘電体柱20の上面の平面的な大きさ(寸法)は、後述の第2金属層30の平面的な大きさよりも大きくてもよいし、小さくてもよい。   The planar size (size) (size in the direction orthogonal to the height direction of the dielectric column 20) of the dielectric column 20 can cut the dielectric column 20 by a plane parallel to the height direction. It refers to the length of the section in the specific direction, and is, for example, 5 nm or more and 200 nm or less. For example, when the shape of the dielectric column 20 is a cylinder whose central axis is in the height direction, the size (diameter of the column) of the dielectric column 20 is 10 nm or more and 200 nm or less, preferably 20 nm or more and 150 nm or less More preferably, it is 25 nm or more and 100 nm or less, and still more preferably 30 nm or more and 72 nm or less. Furthermore, the planar size (dimension) of the top surface of the dielectric pillar 20 may be larger or smaller than the planar size of the second metal layer 30 described later.

誘電体柱20の高さ(第1金属層10の「下面」の位置から、第2金属層30の下面の位置までの、第1金属層10の厚さ方向における距離)は、第1金属層10の伝搬型プラズモンと、第2金属層30の局在型プラズモンとが相互作用できるかぎり、特に限定されない。また誘電体柱20の高さは、高次の干渉効果を利用できる高さとしてもよい。誘電体柱20の高さは、例えば、1nm以上1μm以下、好ましくは5nm以上500nm以下、より好ましくは10nm以上100nm以下、さらに好ましくは15nm以上80nm以下、特に好ましくは20nm以上60nm以下とすることができ、前記相互作用や干渉効果を得ることができるように設定される。   The height of the dielectric column 20 (the distance from the position of the “lower surface” of the first metal layer 10 to the position of the lower surface of the second metal layer 30 in the thickness direction of the first metal layer 10) is the first metal There is no particular limitation as long as the propagating plasmon of the layer 10 and the localized plasmon of the second metal layer 30 can interact. Also, the height of the dielectric column 20 may be a height at which high-order interference effects can be used. The height of the dielectric pillar 20 is, for example, 1 nm to 1 μm, preferably 5 nm to 500 nm, more preferably 10 nm to 100 nm, still more preferably 15 nm to 80 nm, particularly preferably 20 nm to 60 nm. And set so that the interaction and interference effects can be obtained.

なお、本明細書では、第1金属層10の「上面」の位置から、第2金属層30の下面の位置までの、第1金属層10の厚さ方向における距離のことを「ギャップ」と称する場合があり、図面等において「G」と表示する場合がある。   In the present specification, the distance in the thickness direction of the first metal layer 10 from the position of the “upper surface” of the first metal layer 10 to the position of the lower surface of the second metal layer 30 is referred to as “gap”. It may be called and it may display as "G" in a drawing etc.

なお、本明細書では、誘電体柱20の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合に、当該誘電体柱20の直径のことを、図面等において「D」と表示する場合がある。   In the present specification, when the shape of the dielectric column 20 is a cylinder whose central axis is in the height direction, the diameter of the dielectric column 20 is indicated as “D” in the drawings and the like. is there.

誘電体柱20は、正の誘電率を有すればよく、例えば、SiO2、Al23、TiO2、高分子(樹脂)、ITO(Indium Tin Oxide)、又はそれらの複合体で形成することができる。また、誘電体柱20は、誘電体を含んでなることができるし、誘電体を含まなくてもよく、いずれの場合も誘電体柱20と称することとする。さらに、誘電体柱20は、材質の互いに異なる複数の部分(例えば積層構造)から構成されてもよい。 The dielectric column 20 may have a positive dielectric constant, and is formed of, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , a polymer (resin), ITO (Indium Tin Oxide), or a composite thereof be able to. Also, the dielectric column 20 can include a dielectric, or may not include a dielectric, and in any case, it will be referred to as a dielectric column 20. Furthermore, the dielectric post 20 may be composed of a plurality of different parts (for example, a laminated structure) of different materials.

誘電体柱20の大きさや高さによっては、第2金属層30に生じる局在型プラズモンの励起ピーク周波数がシフトする場合があるため、後述するピッチP2の設定等において、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際に、これを考慮すべき場合がある。   The excitation peak frequency of the localized plasmon generated in the second metal layer 30 may shift depending on the size and the height of the dielectric column 20. Therefore, the peak of the localized plasmon may be set in the setting of the pitch P2 described later. This may be taken into account when determining the excitation wavelength.

1.3.第2金属層
第2金属層30は、第1金属層10から厚さ方向に離間して設けられる。また第2金属層30は、第1金属層10と電気的に絶縁されて設けられる。第2金属層30は、第1金属層10と空間的に離間して配置されていればよい。本実施形態の図1ないし図4の例では、第1金属層10を貫通する誘電体柱20の上に第2金属層30が形成されることにより、第1金属層10と第2金属層30とが誘電体柱20の高さ方向で空間的に離間して配置されている。なおこのことは、図6の例においても同様である。
1.3. Second Metal Layer The second metal layer 30 is provided to be separated from the first metal layer 10 in the thickness direction. The second metal layer 30 is provided so as to be electrically insulated from the first metal layer 10. The second metal layer 30 may be spaced apart from the first metal layer 10. In the examples of FIGS. 1 to 4 of the present embodiment, the second metal layer 30 is formed on the dielectric pillar 20 penetrating the first metal layer 10, whereby the first metal layer 10 and the second metal layer are formed. And 30 are spaced apart in the height direction of the dielectric post 20. This is the same as in the example of FIG.

第2金属層30の形状は、特に限定されない。例えば、第2金属層30の形状は、第1金属層10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み合わせた形であることができる。また、第2金属層30の形状は、第1金属層10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)、第1金属層10と重なりを有しても有さなくてもよい。   The shape of the second metal layer 30 is not particularly limited. For example, when projected in the thickness direction of the first metal layer 10 (in plan view from the thickness direction), the shape of the second metal layer 30 is circular, elliptical, polygonal, irregular, or a combination thereof. It can be Further, the shape of the second metal layer 30 has an overlap with the first metal layer 10 when projected in the thickness direction of the first metal layer 10 (in plan view from the thickness direction). It does not have to be.

第2金属層30の形状は、第1金属層10の厚さ方向に直交する方向に投影した場合(側面視の場合)には、誘電体柱20の上面に沿った形状となる部分が存在するが、円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組み合わせた形状であることができる。図1〜図5の例では第2金属層30は、いずれも第1金属層10の厚さ方向に中心軸を有する円柱状(円盤状(ディスク状))の形状が例示され、側面視では矩形となっている。   When the shape of the second metal layer 30 is projected in a direction orthogonal to the thickness direction of the first metal layer 10 (in the case of a side view), there is a portion along the upper surface of the dielectric post 20 However, it may be circular, oval, polygonal, irregular or a combination thereof. In the example of FIGS. 1 to 5, the second metal layer 30 is exemplified by a cylindrical (disk-like (disk-like)) shape having a central axis in the thickness direction of the first metal layer 10, and in the side view It is rectangular.

第2金属層30の高さ方向の大きさT(薄膜状である場合には厚さT)は、高さ方向に垂直な平面によって第2金属層30を切ることができる高さ方向の区間の長さを指し、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以下である。第2金属層30の高さ方向の大きさ(厚み)は、第1金属層10の厚みと同じでも異なってもよい。   The size T in the height direction of the second metal layer 30 (thickness T in the case of a thin film) is a section in the height direction where the second metal layer 30 can be cut by a plane perpendicular to the height direction Length of 10 nm or more and 1 mm or less, preferably 20 nm or more and 100 .mu.m or less, more preferably 30 nm or more and 1 .mu.m or less. The size (thickness) in the height direction of the second metal layer 30 may be the same as or different from the thickness of the first metal layer 10.

また、第2金属層30の高さ方向に直交する方向の大きさは、高さ方向に平行な平面によって第2金属層30を切ることができる特定の方向の区間の長さを指し、5nm以上200nm以下である。例えば、第2金属層30の形状が高さ方向を中心軸とする円盤状である場合には、第2金属層30の第1方向の大きさ(円盤の直径)は、10nm以上200nm以下、好ましくは20nm以上150nm以下、より好ましくは25nm以上100nm以下、さらに好ましくは30nm以上72nm以下である。   In addition, the size of the second metal layer 30 in the direction orthogonal to the height direction indicates the length of a section in a specific direction in which the second metal layer 30 can be cut by a plane parallel to the height direction. More than 200 nm. For example, in the case where the shape of the second metal layer 30 is a disk shape with the central axis in the height direction, the size (diameter of the disk) of the second metal layer 30 in the first direction is 10 nm or more and 200 nm or less, The thickness is preferably 20 nm or more and 150 nm or less, more preferably 25 nm or more and 100 nm or less, and still more preferably 30 nm or more and 72 nm or less.

なお、本明細書では、第2金属層30の形状が高さ方向を中心軸とする円盤である場合に、当該第2金属層30の直径のことを、図面等において「D」と表示する場合がある。   In the present specification, when the shape of the second metal layer 30 is a disk whose central axis is the height direction, the diameter of the second metal layer 30 is indicated as “D” in the drawings and the like. There is a case.

第2金属層30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、銀、金、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。   The shape and material of the second metal layer 30 are arbitrary as long as localized plasmons can be generated by the irradiation of incident light. Silver, gold, aluminum, copper, platinum, alloys thereof, and the like can be given as materials that can generate localized plasmons by light near visible light.

第2金属層30は、例えば、スパッタ、蒸着(必要に応じて傾斜蒸着の態様を含む)によって形成することができ、さらに必要に応じて係る工程の後にパターニングを行う方法や、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、第2金属層30は、コロイド化学的手法によって形成してもよく、コロイド微粒子を適宜の手法によって誘電体柱20上に配置してもよい。   The second metal layer 30 can be formed, for example, by sputtering, vapor deposition (including an aspect of inclined vapor deposition if necessary), and a method of performing patterning after such steps as required, or a microcontact printing method , Nanoimprint method or the like. Further, the second metal layer 30 may be formed by a colloid chemical method, and the colloid fine particles may be disposed on the dielectric column 20 by an appropriate method.

第2金属層30は、本実施形態の電場増強素子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。第2金属層30に、後述するが入射光を照射することにより、第2金属層30の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。第2金属層30に発生した局在型プラズモンは、上述の第1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することができる。
The second metal layer 30 has a function of generating localized plasmons in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment. By irradiating the second metal layer 30 with incident light, which will be described later, localized plasmons can be generated around the second metal layer 30. The localized plasmons generated in the second metal layer 30 can interact with the propagating plasmons generated in the first metal layer 10 described above under certain conditions.

1.4.第2金属層の配置
図1〜図5に示すように、第2金属層30は、誘電体柱20とともに、第1方向に第1のピッチP1で複数並んで第1金属列31(金属列)を構成する。そして当該第1金属列31が第1方向と交差する第2方向に第2のピッチP2で複数並んで配置される。なお、第1方向に複数並ぶ配置の並び方としては、第1方向に沿って第2金属層30が連なればよく、例えば千鳥配置、ジグザグ配置のように、第1金属列31が特定できる程度であれば、隣合う第2金属層30が第2方向にある程度ずれてもよい。図示の例では、第1金属列31における第2金属層30は、第1方向に直線状に並んでいる。
1.4. Arrangement of Second Metal Layers As shown in FIGS. 1 to 5, a plurality of second metal layers 30 are arranged side by side with a first pitch P 1 in the first direction together with the dielectric columns 20. Configure). Then, a plurality of the first metal rows 31 are arranged side by side at a second pitch P2 in a second direction intersecting the first direction. In addition, as the arrangement of a plurality of arrangements in the first direction, the second metal layer 30 may be continuous along the first direction, and the extent to which the first metal row 31 can be identified like, for example, a zigzag arrangement or a zigzag arrangement. In this case, the adjacent second metal layers 30 may be displaced to some extent in the second direction. In the illustrated example, the second metal layers 30 in the first metal row 31 are linearly arranged in the first direction.

第2金属層30は、第1金属列31において、第1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。したがって、上述の誘電体柱20が第1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、その上の第2金属層30が高さ方向と直交する第1方向に複数並んで第1金属列31を構成している。第2金属層30が並ぶ第1方向は、第2金属層30が平面視において長手を有する形状の場合(異方性を有する形状の場合)、その長手方向とは必ずしも一致しなくてよい。1つの第1金属列31に並ぶ第2金属層30の数は、複数であればよく、好ましくは10個以上である。また、第1金属列31に属する第2金属層30の大きさ(寸法:サイズ)、形状及び位置する高さ(ギャップ)の少なくとも1種は、第2金属層30に生ずる局在型プラズモンのピーク波長がほぼ一致していれば、互いに同じでも異なってもよい。   The second metal layers 30 are arranged side by side in the first direction perpendicular to the thickness direction of the first metal layer 10 in the first metal row 31. Therefore, the dielectric columns 20 described above are arranged in the first direction orthogonal to the thickness direction of the first metal layer 10, and the plurality of second metal layers 30 thereon are arranged in the first direction orthogonal to the height direction. The first metal row 31 is configured side by side. The first direction in which the second metal layers 30 are arranged may not necessarily coincide with the longitudinal direction in the case where the second metal layer 30 has a longitudinal shape in plan view (in the case of an anisotropic shape). The number of second metal layers 30 arranged in one first metal row 31 may be plural, preferably ten or more. In addition, at least one of the size (size: size), the shape, and the height (gap) of the second metal layer 30 belonging to the first metal row 31 is a localized plasmon generated in the second metal layer 30. As long as the peak wavelengths are substantially the same, they may be the same or different.

ここで第1金属列31内における第1方向の第2金属層30の平面視における重心間の距離をピッチP1と定義する(図2、5、7参照)。また、第1金属列31内における2つの第2金属層30の間の間隔は、第2金属層30が金属層10の厚さ方向を中心軸とする円盤状である場合には、ピッチP1から円盤の直径を差引いた長さに等しい。この間隔が小さくなると、粒子間に働く局在型プラズモンの効果が増大し、増強度を大きくできる場合がある。第1方向における第2金属層30の間の間隔は、5nm以上1μm以下であり、好ましくは5nm以上100nm以下、より好ましくは5nm以上30nm以下とすることができる。   Here, the distance between the centers of gravity in a plan view of the second metal layer 30 in the first direction in the first metal row 31 is defined as a pitch P1 (see FIGS. 2, 5 and 7). Further, in the case where the second metal layer 30 has a disk shape whose central axis is the thickness direction of the metal layer 10, the distance between the two second metal layers 30 in the first metal row 31 has a pitch P1. Is equal to the length of the disc minus the diameter of the disc. If this spacing is reduced, the effect of localized plasmons acting between particles may be increased, and the degree of enhancement may be increased. The distance between the second metal layers 30 in the first direction is 5 nm or more and 1 μm or less, preferably 5 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 30 nm or less.

第1金属列31内における第1方向の第2金属層30のピッチP1は、10nm以上1μm以下であり、好ましくは20nm以上800nm以下、より好ましくは30nm以上780nm未満、さらに好ましくは50nm以上700nm未満とすることができる。   The pitch P1 of the second metal layer 30 in the first direction in the first metal string 31 is 10 nm or more and 1 μm or less, preferably 20 nm or more and 800 nm or less, more preferably 30 nm or more and less than 780 nm, still more preferably 50 nm or more and less than 700 nm It can be done.

第1金属列31は、第1方向にピッチP1で並ぶ複数の第2金属層30によって構成されるが、第1金属列31の第2金属層30に発生される局在型プラズモンの分布・強度等は、この第2金属層30の配列にも依存する。したがって、第1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、単一の第2金属層30に発生する局在型プラズモンだけでなく、第2金属層30の第1金属列31における配列を考慮した局在型プラズモンである。   Although the first metal row 31 is constituted by a plurality of second metal layers 30 arranged at a pitch P1 in the first direction, distribution of localized plasmons generated in the second metal layer 30 of the first metal row 31 The strength and the like also depend on the arrangement of the second metal layer 30. Therefore, the localized plasmon interacting with the propagating plasmon generated in the first metal layer 10 is not only the localized plasmon generated in the single second metal layer 30 but also the first plasmon of the second metal layer 30. It is a localized plasmon in which the arrangement in the metal string 31 is considered.

図1〜図5に示すように、第1金属列31は、第1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。第1金属列31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 to 5, the first metal rows 31 are arranged side by side at a pitch P2 in the thickness direction of the first metal layer 10 and in a second direction intersecting the first direction. The number of the first metal rows 31 may be plural, as long as it is plural, preferably ten or more.

ここで、隣合う第1金属列31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(図2、3、5等を参照)。第1金属列31間のピッチP2は、以下の「1.4.1.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るが、例えば、10nm以上10μm以下であり、好ましくは20nm以上2μm以下、より好ましくは3
0nm以上1500nm以下、さらに好ましくは60nm以上1310nm以下、特に好ましくは60nm以上660nm以下とすることができる。
Here, the distance between the centers of gravity in the second direction of the adjacent first metal rows 31 is defined as a pitch P2 (see FIGS. 2, 3, 5 and the like). The pitch P2 between the first metal strings 31 is set according to the conditions described in “1.4.1. Propagation plasmon and localized plasmon” below, and is, for example, 10 nm or more and 10 μm or less, preferably 20 nm 2 μm or less, more preferably 3
The thickness can be 0 nm or more and 1500 nm or less, more preferably 60 nm or more and 1310 nm or less, and particularly preferably 60 nm or more and 660 nm or less.

なお、第1金属列31の伸びる第1方向に沿う線と、隣合う第1金属列31にそれぞれ属する2つの第2金属層30であって、互いに最も近接する2つの第2金属層30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、厚さ方向から見た第2金属層30の配列を、第2金属層30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、第1金属列31の伸びる第1方向に沿う線と、隣合う第1金属列31にそれぞれ属する2つの第2金属層30であって、互いに最も近接する2つの第2金属層30を結ぶ線と、がなす角が直角でない場合には、隣合う第1金属列31にそれぞれ属する2つの第2金属層30であって、互いに最も近接する2つの第2金属層30の間のピッチをピッチP2と設定してもよい。   Note that a line along the extending first direction of the first metal row 31 and two second metal layers 30 respectively belonging to the adjacent first metal row 31, the two second metal layers 30 closest to each other The angle formed by the connecting line is not particularly limited, and may or may not be perpendicular. For example, as shown in FIG. 2, the angle formed by the two may be a right angle, and as shown in FIG. 5, the angle formed by both may not be a right angle. That is, when the arrangement of the second metal layer 30 viewed from the thickness direction is regarded as a two-dimensional lattice in which the position of the second metal layer 30 is a lattice point, the irreducible basic unit lattice has a rectangular shape. Alternatively, the shape may be a parallelogram. In addition, a line along the extending first direction of the first metal row 31 and two second metal layers 30 respectively belonging to the adjacent first metal rows 31, the two second metal layers 30 closest to each other When the angle between the connecting line and the line is not perpendicular, the pitch between the two second metal layers 30 which are the two second metal layers 30 respectively belonging to the adjacent first metal rows 31 and which are closest to each other May be set as the pitch P2.

本実施形態の電場増強素子において、図7、図8に示すように第2金属層30が第1方向に第3のピッチP3で複数並んで構成された第2金属列32(金属列)をさらに含んでもよい。係る第2金属列32は、第2方向に第2のピッチP2で並び、第1金属列31と第2方向において交互に並んで配置される。   In the electric field enhancing element of this embodiment, as shown in FIGS. 7 and 8, the second metal row 32 (metal row) in which a plurality of second metal layers 30 are arranged in the first direction at the third pitch P3 is obtained. It may further include. The second metal rows 32 are arranged at the second pitch P2 in the second direction, and are alternately arranged in the first metal row 31 and the second direction.

第2金属列32は、第1金属列31と同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。第2金属列32は、第1金属列31に対して1列ずつ配置されてもよく、第1金属列31に対して複数列ずつ配置されてもよい。さらに、第2金属列32と第1金属列31との間の第2方向の距離(ピッチP5)は、ピッチP2の1%以上50%以下の大きさであることができる。またピッチP5は、第2金属層30の第1方向のピッチP1とは無関係に設定することができる。   The second metal row 32 may have the same configuration as the first metal row 31 or may have a different configuration. The second metal rows 32 may be arranged one by one with respect to the first metal row 31 or may be arranged with respect to the first metal rows 31. Furthermore, the distance (pitch P5) in the second direction between the second metal row 32 and the first metal row 31 can be 1% or more and 50% or less of the pitch P2. The pitch P5 can be set independently of the pitch P1 of the second metal layer 30 in the first direction.

そして、複数の第2金属列32が配置される場合には、それらは互いにピッチP2の1%以上50%以下の大きさ距離で第2方向に離間して配置されることができる。なお、第2金属列32が、第1金属列31と同様の構成である場合であって、第1金属列31から第2方向に、ピッチP2の50%離れた位置に配置される場合(ピッチP5がピッチP2の半分である場合)には、第1金属列31がピッチP2の半分のピッチで配置された場合と同じとなるため、そのような配置となる第2金属列32については、第1金属列31とみなすこととする。さらに、第2金属列32が、第1金属列31から第2方向に、ピッチP2の50%以下の距離で離れた位置に配置される場合(ピッチP5がピッチP2の半分以下である場合)には、第2金属列32及び第1金属列31を組として、1つの金属列(例えば第1金属列31)とみなすことができる。   When the plurality of second metal rows 32 are disposed, they may be spaced apart from each other in the second direction at a distance of 1% or more and 50% or less of the pitch P2. The second metal row 32 has a configuration similar to that of the first metal row 31 and is disposed at a position 50% away from the first metal row 31 in the second direction by 50% of the pitch P2 In the case where the pitch P5 is a half of the pitch P2), the first metal row 31 is the same as in the case where the first metal row 31 is disposed at a half pitch of the pitch P2. , And the first metal string 31. Furthermore, when the second metal row 32 is disposed at a distance of 50% or less of the pitch P2 in the second direction from the first metal row 31 (when the pitch P5 is less than or equal to half the pitch P2) The second metal row 32 and the first metal row 31 can be regarded as one metal row (for example, the first metal row 31) as a pair.

第1金属列31に属する第2金属層30と、第2金属列32に属する第2金属層30とは大きさ(寸法:サイズ)、形状及び位置する高さの少なくとも1種は、第2金属層30に生ずる局在型プラズモンのピーク波長がほぼ一致していれば、互いに同じでも異なってもよい。   The second metal layer 30 belonging to the first metal row 31 and the second metal layer 30 belonging to the second metal row 32 have at least one of a size (size: size), a shape, and a height, As long as the peak wavelengths of localized plasmons generated in the metal layer 30 substantially coincide with each other, they may be the same or different.

図7及び図8は、それぞれ第2金属列32の一例を示す模式図である。図7は、第2金属層30が第1方向に、第1のピッチP1と同じ大きさの第3のピッチP3で複数並んで構成された第2金属列32を含む電場増強素子200の一例を示す模式図である。図8は、第2金属層30が第1方向に、第1のピッチP1と異なる大きさの第3のピッチP3で複数並んで構成された第2金属列32を含む電場増強素子250の一例を示す模式図である。このようにピッチP3は、ピッチP1と同じでも異なってもよい。さらに複数の第2金属列32が設けられる場合、各列におけるピッチP3は、互いに同じでも異なってもよ
い。
7 and 8 are schematic views showing an example of the second metal row 32. As shown in FIG. FIG. 7 shows an example of an electric field enhancing element 200 including a second metal row 32 in which a plurality of second metal layers 30 are arranged in a first direction at a third pitch P3 having the same size as the first pitch P1. FIG. FIG. 8 shows an example of an electric field enhancing element 250 including a second metal row 32 in which a plurality of second metal layers 30 are arranged in the first direction at a third pitch P3 different in size from the first pitch P1. FIG. Thus, the pitch P3 may be the same as or different from the pitch P1. Furthermore, when a plurality of second metal rows 32 are provided, the pitch P3 in each row may be the same or different.

このような変形例に係る電場増強素子200、電場増強素子250においても、上述の電場増強素子100と同様に、光照射により励起されるプラズモンに基づき、光を非常に高い増強度で増強することができる。また、このような電場増強素子を備えた分析装置によれば、分析対象となる物質に依存する散乱光の波長に対して、電場増強素子の増強度プロファイルを調整する際の自由度を高めることができる。これにより、広範な分析対象に対して、十分に高いプラズモン増強効果を及ぼすことができる。   Also in the electric field enhancing element 200 and the electric field enhancing element 250 according to such a modification, similarly to the electric field enhancing element 100 described above, the light is enhanced with a very high enhancement based on the plasmon excited by light irradiation. Can. In addition, according to the analysis device provided with such an electric field enhancing element, the degree of freedom in adjusting the enhancement degree profile of the electric field enhancing element to the wavelength of the scattered light depending on the substance to be analyzed is increased. Can. This makes it possible to exert a sufficiently high plasmon enhancement effect on a wide range of analytes.

図7の例では、第2金属列32は、第1金属列31と同様の構成となっている。すなわち、第2金属列32に属する第2金属層30は、第1金属列31に属する第2金属層30と同じ形状であり、かつ、第1方向に並ぶピッチは、両者とも同じとなっている(すなわち、ピッチP1=ピッチP3)。また、この例の場合、第1金属列31の第2金属層30と、第2金属列32の第2金属層30は、互いに最も接近するように(第1方向の位置を揃えて)配置されている。しかし、第2金属列32に属する第2金属層30と第1金属列31に属する第2金属層30は、第1方向における第2金属層30の位置をずらして配置されてもよい。   In the example of FIG. 7, the second metal row 32 has the same configuration as the first metal row 31. That is, the second metal layer 30 belonging to the second metal row 32 has the same shape as the second metal layer 30 belonging to the first metal row 31, and the pitches aligned in the first direction are the same for both. (Ie, pitch P1 = pitch P3). Further, in the case of this example, the second metal layer 30 of the first metal row 31 and the second metal layer 30 of the second metal row 32 are disposed so as to be closest to each other (the positions in the first direction are aligned). It is done. However, the second metal layer 30 belonging to the second metal row 32 and the second metal layer 30 belonging to the first metal row 31 may be arranged with the position of the second metal layer 30 shifted in the first direction.

また、第1方向に第2金属層30がピッチP1で並ぶ第1金属列31と、第1方向に第2金属層30がピッチP1で並ぶ第2金属列32とを配置する場合には、第1金属列31をピッチP2の半分のピッチで第2方向に配置した場合と類似の効果を得ることができる。すなわちこの場合、第1金属列31と第2金属列32の間の第2方向における離間距離にも依存するが、例えば、増強度は低下するが、ピーク波長特性がブロードになり、ホットスポット密度(HSD)が2倍になるという効果が期待できる。   Further, in the case of arranging the first metal row 31 in which the second metal layers 30 are arranged at the pitch P1 in the first direction and the second metal row 32 in which the second metal layers 30 are arranged at the pitch P1 in the first direction, Similar effects to the case where the first metal rows 31 are arranged in the second direction at a half pitch of the pitch P2 can be obtained. That is, in this case, although depending on the separation distance in the second direction between the first metal row 31 and the second metal row 32, for example, although the degree of enhancement decreases, the peak wavelength characteristics become broad and the hot spot density The effect of doubling the (HSD) can be expected.

また、図8の例では、第2金属列32は、第1金属列31とは、形状、ピッチが異なる構成となっている。すなわち、第2金属列32に属する第2金属層30は、第1金属列31に属する第2金属層30と異なる形状であり、かつ、第1方向に並ぶピッチは、第1金属列31のピッチP1と第2金属列32のピッチP3とで互いに相違している(すなわち、ピッチP1<ピッチP3)。   Further, in the example of FIG. 8, the second metal row 32 is configured to be different in shape and pitch from the first metal row 31. That is, the second metal layer 30 belonging to the second metal row 32 has a shape different from that of the second metal layer 30 belonging to the first metal row 31, and the pitch aligned in the first direction is the same as that of the first metal row 31. The pitch P1 and the pitch P3 of the second metal row 32 are different from each other (that is, pitch P1 <pitch P3).

図7及び図8に示した例は、いずれも一例を示すものであって、このような第2金属列32は、例えば、照射される励起波長、ラマン散乱光の波長などを考慮して適宜に配置されることができる。   The examples shown in FIG. 7 and FIG. 8 each show an example, and such a second metal row 32 is appropriately selected in consideration of, for example, the excitation wavelength to be irradiated, the wavelength of Raman scattered light, etc. Can be placed.

隣合う第1金属列31の第2方向における重心間の距離を第2ピッチP2と定義する(図2、5、7、8を参照:図7、図8の例では、第1金属列31と第2金属列32とを組として、1つの金属列とみなし、当該金属列の第2方向における重心間の距離が第2ピッチP2と定義されている。)。金属列31間の第2ピッチP2は、以下の「1.4.1.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るが、例えば、10nm以上10μm以下であり、好ましくは20nm以上2μm以下、より好ましくは30nm以上1500nm以下、さらに好ましくは60nm以上1310nm以下、特に好ましくは60nm以上660nm以下とすることができる。   The distance between the centers of gravity in the second direction of the adjacent first metal rows 31 is defined as the second pitch P2 (see FIGS. 2, 5, 7, 8: in the example of FIGS. 7 and 8, the first metal rows 31 And the second metal row 32 are regarded as one metal row, and the distance between the centers of gravity in the second direction of the metal rows is defined as the second pitch P2). The second pitch P2 between the metal strings 31 is set according to the conditions described in “1.4.1. Propagation plasmon and localized plasmon” below, and is, for example, 10 nm or more and 10 μm or less, preferably 20 nm The thickness can be 2 μm or less, more preferably 30 nm or more and 1500 nm or less, still more preferably 60 nm or more and 1310 nm or less, and particularly preferably 60 nm or more and 660 nm or less.

1.4.1.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9は、入射光、銀、金の分散曲線を示す分散関係のグラフである。通常は、第1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、第1金属層10がAgからなる場合には、図9に示すように、ライトライン(LightLine)とAgのSPPの分散曲線が交点を持たないからである(周辺屈折率が同じもの同士の場合)。また、光が通
過する媒体の屈折率が変化しても、Ag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9は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。
1.4.1. Propagation Type Plasmon and Localized Plasmon First, the propagation type plasmon will be described. FIG. 9 is a graph of dispersion relation showing dispersion curves of incident light, silver and gold. Usually, even if light is incident on the first metal layer 10 at an incident angle (irradiation angle θ) of 0 to 90 degrees, no propagation type plasmon is generated. For example, in the case where the first metal layer 10 is made of Ag, as shown in FIG. 9, the dispersion curve of the light line (LightLine) and the SPP of Ag does not have an intersection point (the ones having the same peripheral refractive index) in the case of). In addition, even if the refractive index of the medium through which light passes changes, the SPP of Ag also changes according to the refractive index of the periphery, so there is also no intersection point. In order to give rise to the propagation type plasmon with an intersection point, a metal layer is provided on the prism as in the Kretschmann arrangement, and the wave number of incident light is increased by the refractive index of the prism, or the wave number of the light line is determined by the diffraction grating. There is a way to increase it. FIG. 9 is a graph showing the dispersion relationship (in which the vertical axis is the angular frequency (ω [eV]) and the horizontal axis is the wave number vector (k [eV / c])).

また、図9のグラフの縦軸の角振動数ω[eV]は、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/(λ[nm]/100)の関係がある。したがって、例えば、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、第1金属層10の厚さ方向、又は第2金属層30の高さ方向からの傾斜角である。   The angular frequency ω [eV] on the vertical axis of the graph in FIG. 9 has a relationship of λ [nm] = 1240 / ω [eV], and can be converted to a wavelength. Also, the wave number vector k [eV / c] on the horizontal axis of the graph has a relationship of k [eV / c] = 2π · 2 / (λ [nm] / 100). Therefore, for example, when λ = 600 nm, k = 2.09 [eV / c]. The irradiation angle is an irradiation angle of incident light, and is an inclination angle from the thickness direction of the first metal layer 10 or the height direction of the second metal layer 30.

図9にはAg及びAuのSPPの分散曲線を示したが、一般には、第1金属層10に入射される入射光の角振動数をω、真空中の光速をc、第1金属層10を構成する金属の誘電率をε(ω)、第1金属層10の上面側の周辺の誘電率をεとしたとき、その金属のSPPの分散曲線は、式(8)
SPP=ω/c[ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))]1/2 ・・・(8)
で与えられる。
FIG. 9 shows the dispersion curves of SPP of Ag and Au, but in general, the angular frequency of incident light incident on the first metal layer 10 is ω, the speed of light in vacuum is c, and the first metal layer 10 The dispersion curve of SPP of the metal is expressed by the equation (8), where ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the metal layer and ε is the dielectric constant around the upper surface of the first metal layer 10.
K SPP = ω / c [ε · ε (ω) / (ε + ε (ω))] 1/2 (8)
Given by

一方、入射光の照射角であって第1金属層10の厚さ方向、又は第2金属層30の高さ方向からの傾斜角をθとし、ピッチQを有する仮想的な回折格子を通過した入射光の波数Kは、式(9)
K=n1・(ω/c)・sinθ+m・2π/Q (m=±1,±2,,) ・・・(9)
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 from the incident direction of incident light and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer 10 or the height direction of the second metal layer 30 is θ, and a virtual diffraction grating having a pitch Q is passed. The wave number K of the incident light is given by equation (9)
K = n 1 · (ω / c) · sin θ + m · 2π / Q (m = ± 1, ± 2,,) (9)
The relationship appears as a straight line, not a curve, on the graph of the dispersion relation.

なお、n1は、第1金属層10の上面側の周辺の屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率εの実数部ε’と虚数部ε”は、それぞれ、ε’=n1 2−κ2、ε”=2n1κで与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ〜0であるから、εは実数で、ε=n1 2となり、n1=ε1/2で与えられる。 Here, n 1 is the refractive index of the periphery on the upper surface side of the first metal layer 10, and if the extinction coefficient is κ, the real part ε ′ and the imaginary part ε ′ ′ of the relative permittivity ε at the frequency of light are , respectively, ε '= n 1 2 -κ 2, given by ε "= 2n 1 κ, if the periphery of substances transparent, because it is Kappa~0, epsilon is a real number, epsilon = n 1 2 next , N 1 = ε 1/2 .

分散関係のグラフにおいて、金属のSPPの分散曲線(上記式(8))と回折光の直線(上記式(9))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、第1金属層10に伝搬型プラズモンが励起される。 In the dispersion relation graph, when the dispersion curve of the metal SPP (the above equation (8)) and the straight line of the diffracted light (the above equation (9)) have an intersection, the propagation plasmon is excited. That is, when the relationship of K SPP = K is established, the propagation type plasmon is excited in the first metal layer 10.

したがって、上記式(8)及び式(9)から、以下の式(2)が得られ、
(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)
この式(2)の関係を満たせば、第1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9のAg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、Ag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, the following formula (2) is obtained from the above formulas (8) and (9),
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)
It is understood that propagating plasmons are excited in the first metal layer 10 if the relationship of this equation (2) is satisfied. In this case, in the example of SPP of Ag in FIG. 9, the inclination and / or intercept of the light line can be changed by changing θ and m, and the light line relative to the dispersion curve of SPP of Ag The straight lines of can be crossed.

次に、局在型プラズモンについて説明する。第2金属層30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[ε(ω)]=−2ε ・・・(10)
で与えられる。第2金属層30周辺の屈折率n2を1とするとε=n2 2−κ2=1なので、Real[ε(ω)]=−2、となる。
Next, localized plasmons will be described. The conditions for causing the second metal layer 30 to generate localized plasmons are determined by the real part of the dielectric constant:
Real [ε (ω)] = − 2ε (10)
Given by The refractive index n 2 of the peripheral second metal layer 30 1 to the epsilon = n 2 2-kappa 2 = 1 Since, Real [ε (ω)] = - 2, and becomes.

図10は、一例として、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10のようであり、約366nm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構造体がナノオーダーで近づく場合や、Ag構造体(第2金属層30)とAg膜(第1金属層10)がSiO2層(誘電体柱20)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構造体の大きさ、厚み、間隔、ピッチ、誘電体柱20の高さ(ギャップG)等のディメンジョンに依存するが、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. 10 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of Ag and the wavelength as an example. For example, although the dielectric constant of Ag is as shown in FIG. 10, localized plasmons are excited at a wavelength of about 366 nm or more, but a plurality of Ag structures approach in nano order, or an Ag structure When the (second metal layer 30) and the Ag film (the first metal layer 10) are arranged to be separated by the SiO 2 layer (dielectric column 20), excitation of localized plasmons is caused by the influence of the gap. The peak wavelength is red shifted (shifted to the long wavelength side). The amount of shift depends on the size, thickness, spacing, pitch of the Ag structure, and the dimensions of the height of the dielectric column 20 (gap G), but the localized plasmon peaks at, for example, 500 nm to 900 nm. It shows wavelength characteristics.

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。   In addition, localized plasmons, unlike propagating plasmons, are plasmons that have no velocity and do not move, and when plotted on a dispersion relationship graph, the slope is zero, that is, ω / k = 0.

図11は、周辺屈折率が1であるときの金属(Ag,Au)の分散曲線、局在型プラズモン及び入射光の分散関係を示すグラフである。本実施形態の電場増強素子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、極めて大きい電場の増強度を得るものである。すなわち、本実施形態の電場増強素子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、第2金属層30(第1金属列31)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。   FIG. 11 is a graph showing the dispersion relationship of metal (Ag, Au) when the peripheral refractive index is 1, the dispersion relation of localized plasmons and incident light. The electric field enhancing element 100 of the present embodiment obtains a very large degree of enhancement of the electric field by electromagnetically coupling (propagating plasmons and localized plasmons). That is, in the graph of the dispersion relation, the electric field enhancing element 100 according to the present embodiment does not set the intersection point of the straight line of the diffracted light and the dispersion curve of the metal SPP as an arbitrary point, but the second metal layer 30 (second One of the features is to make both intersect in the vicinity of the point giving the maximum or maximum enhancement degree in the localized plasmon generated in one metal string 31).

換言すると、本実施形態の電場増強素子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、第2金属層30(第1金属列31)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11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 graph of the dispersion relationship, in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, the dispersion curve of the metal SPP and the localized plasmon generated in the second metal layer 30 (the first metal string 31) are maximal or maximal It is designed so that the straight line of diffracted light passes near the point of intersection with the angular frequency of incident light (in the graph of the dispersion relation in Figure 11, a line parallel to the horizontal axis attached to LSP) giving an enhancement. Ru.

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、又は、入射光の波長の±P1(第2金属層30の第1金属列31内におけるピッチP1の幅)程度の長さの波長の範囲内である。   Here, in the vicinity of the intersection point, when converted to the wavelength, it is within the wavelength range of about ± 10% of the wavelength of the incident light, or ± P1 of the wavelength of the incident light (the second metal layer 30 It is in the range of the wavelength of the length about [width of the pitch P1 in the 1st metal row 31].

上記式(8)、式(9)及び式(2)では、第1金属層10に入射される入射光の角振動数をω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、本実施形態の電場増強素子100では、上記式(8)、式(9)及び式(2)におけるωは、第2金属層30(第1金属列31)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若しくはその近傍の角振動数となる。   In the above formulas (8), (9) and (2), the angular frequency of the incident light incident on the first metal layer 10 is ω, and the condition for exciting the propagation type plasmons is shown. In order to generate a hybrid (interaction) between the in-place plasmon and the in-progress plasmon, in the electric field enhancing element 100 of this embodiment, ω in the above formulas (8), (9) and (2) is This is the angular frequency of the incident light giving the maximum or maximum enhancement in localized plasmons generated in the second metal layer 30 (the first metal string 31) or the angular frequency in the vicinity thereof.

したがって、第1金属列31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(2)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 in the first metal string 31 is ω, if the above equation (2) is satisfied, a hybrid of the localized plasmon and the propagating plasmon is generated. Can.

よって、ピッチP1で第2金属層30が並んだ第1金属列31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でピッチ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m)の直線が通るようにすれば(式(2)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11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 first metal row 31 in which the second metal layers 30 are arranged at the pitch P1 is ω, and in the dispersion relationship graph, the position of ω of the dispersion curve of the metal SPP If a straight line of diffracted light (order m) diffracted by being incident on a virtual diffraction grating with a pitch Q at an irradiation angle θ passes in the vicinity (if equation (2) is satisfied), localization occurs. It is possible to generate a hybrid of the type plasmon and the propagation type plasmon and to obtain an extremely large degree of enhancement. In other words, in the graph of the dispersion relation shown in FIG. 11, by changing the inclination and / or intercept of the light line and changing the light line so as to pass near the intersection of SPP and LSP, the localized type Hybrids of plasmons and propagating plasmons can be generated, and an extremely large degree of enhancement can be obtained.

1.4.2.ピッチP2
第1金属列31(金属列)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=0)を用いる場合には、ピッチP2をピッチQとすれば式(2)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(2)を満たすことのできるピッチ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。
1.4.2. Pitch P2
The pitch P2 between the first metal rows 31 (metal rows) is set as follows. When the first-order diffracted light (m = 0) is used at normal incidence (incident angle θ = 0), equation (2) can be satisfied by setting the pitch P2 as the pitch Q. However, depending on the selected incident angle θ and the order m of diffracted light, the pitch Q which can satisfy the equation (2) will have a width. In this case, the incident angle θ is preferably a tilt angle from the thickness direction to the second direction, but may be a tilt angle in 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の幅又は±10%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列ピッチP2の範囲は、式(11)又は式(12)、
Q−P1≦P2≦Q+P1 ・・・(11)
Q−P2/10≦P2≦Q+P2/10 ・・・(12)
となる。
Therefore, taking into consideration of being in the vicinity of the above intersection point (width of ± P1 or width of ± 10%), the range of the row pitch P2 which can generate a hybrid of localized plasmon and propagating plasmon is Formula (11) or Formula (12),
Q−P1 ≦ P2 ≦ Q + P1 (11)
Q-P2 / 10 ≦ P2 ≦ Q + P2 / 10 (12)
It becomes.

一方、ピッチP2は、第1金属列31(金属列)間の第2方向のピッチであるが、隣合う第1金属列31に属する2つの第2金属層30の間のピッチは、2つの第2金属層30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、隣合う第1金属列31に属する2つの第2金属層30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つの第2金属層30を、隣合う第1金属列31から選択することができる。既に述べたように、隣合う第1金属列31は、互いに同じ構成の第1金属列31であるため、厚さ方向から見た第2金属層30の配列を、第2金属層30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, although the pitch P2 is the pitch in the second direction between the first metal rows 31 (metal rows), the pitch between the two second metal layers 30 belonging to the adjacent first metal rows 31 is two. Depending on how the second metal layer 30 is selected, the line connecting these can be inclined with respect to the second direction. That is, the two second metal layers 30 belonging to the adjacent first metal row 31 can be selected so as to have an interval longer than the pitch P2. In FIG. 2, an auxiliary line for describing this is drawn, and along the direction inclined with respect to the second direction, two second metal layers 30 separated by a distance longer than the pitch P2 are It can be selected from the matching first metal string 31. As described above, since the adjacent first metal row 31 is the first metal row 31 having the same configuration as each other, the arrangement of the second metal layer 30 viewed from the thickness direction is the position of the second metal layer 30 It can be regarded as a two-dimensional lattice with lattice points. Then, in this two-dimensional grating, there is a gap (diffraction grating) longer than the pitch P2.

したがって、ピッチP1及びピッチP2で配列された第2金属層30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(11)及び式(12)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(11)及び式(12)において、列ピッチP2が、Q−P2/10又はQ−P1よりも小さい場合でも、式(2)を満たすことのできるピッチ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又はQ−P2/10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, in the matrix of the second metal layers 30 arranged at the pitch P1 and the pitch P2, diffracted light can be expected by the diffraction grating having a distance larger than the pitch P2. Therefore, the inequality on the left side of the equation (11) and the equation (12) can be P1 ≦ P2. In other words, in the equations (11) and (12), even if the row pitch P2 is smaller than Q−P 2/10 or Q−P 1, a diffraction grating having a pitch Q that can satisfy the equation (2) can be obtained. Because they can be present, hybrids of localized and propagating plasmons can be generated. Therefore, the pitch P2 may be a value smaller than Q-P1 or Q-P2 / 10, and it suffices to satisfy the relationship of P1 ≦ P2.

以上のことから、本実施形態の電場増強素子100における第1金属列31(金属列)の間のピッチP2は、下記式(1)又は式(13)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, if the pitch P2 between the first metal string 31 (metal string) in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment satisfies the relationship of the following formula (1) or the formula (13), localized plasmons It is possible to generate a hybrid between the and the propagation type plasmons.

P1≦P2≦Q+P2/10 ・・・(1)
P1≦P2≦Q+P1 ・・・(13)
1.4.3.構造の特徴及びホットスポットの発生位置
図12は、本実施形態の電場増強素子100の要部を、GSPP(Gap type Surface Plasmon Polariton)モデルと比較しながら拡大して
模式的に示す図である。図12(a)は本発明に係る電場増強素子の要部の構造を示し、図12(b)は典型的なGSPP構造の要部を示す模式図である。図12(a)に示すように、本実施形態の電場増強素子100で、平面視における第2金属層30の輪郭が、誘電体柱20の輪郭と同じ場合には、第2金属層30の平面視における端部であって、基板1側の下部(以下、当該部分を第2金属層30の「ボトム端」と称することがある(図中、符号Bで示す。)。)は、測定対象となる物体Mに、図12(b)に示すGSPPモデルの対応する位置と比較して、より接触しやすくなっている。
P1 ≦ P2 ≦ Q + P2 / 10 (1)
P1 ≦ P2 ≦ Q + P1 (13)
1.4.3. Structural Features and Hot Spot Generation Positions FIG. 12 is a diagram schematically showing an enlarged main part of the electric field enhancing element 100 of the present embodiment in comparison with a gap type surface plasmon polariton (GSPP) model. 12 (a) shows the structure of the main part of the electric field enhancing element according to the present invention, and FIG. 12 (b) is a schematic view showing the main part of a typical GSPP structure. As shown in FIG. 12A, in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, when the contour of the second metal layer 30 in plan view is the same as the contour of the dielectric post 20, the second metal layer 30 is formed. It is an end in plan view, and the lower part on the substrate 1 side (hereinafter, the part may be referred to as the “bottom end” of the second metal layer 30 (indicated by symbol B in the figure)) is the measurement. As compared with the corresponding position of the GSPP model shown in FIG. 12B, the object M to be targeted is more easily in contact.

すなわち、本実施形態の電場増強素子100では、平面的に見て第2金属層30の輪郭の外側であって、断面視における第2金属層30の下側の領域に、誘電体等の構造体が存在しない。これに対してGSPPモデルでは、平面的に見てAg粒子の輪郭の外側であって、断面視におけるAg粒子の下側の領域に、誘電体層(SiO2層)が存在している。したがって、測定対象となる物体M(ウィルスや化合物)が、第2金属層30に接近した場合に、本実施形態の電場増強素子100では、ボトム端Bに容易に接触することができるが、GSPPモデルの場合には、Ag粒子のボトム端に相当する位置には、SiO2層が下に存在することにより接近するための通路が狭窄されて、入り込みにくいため、接触しにくくなっている。 That is, in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, a structure such as a dielectric is provided outside the outline of the second metal layer 30 in plan view, and in the region under the second metal layer 30 in cross sectional view There is no body. On the other hand, in the GSPP model, a dielectric layer (SiO 2 layer) is present outside the outline of the Ag particle in plan view and in the region under the Ag particle in a cross sectional view. Therefore, when the object M (virus or compound) to be measured approaches the second metal layer 30, the bottom end B can be easily contacted in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, but GSPP In the case of the model, the path for approaching is narrowed by the presence of the SiO 2 layer at the position corresponding to the bottom end of the Ag particle, and it is difficult to contact since it is difficult to enter.

一方、第2金属層30を上述の条件を満たす配置とした場合、1つの第2金属層30近傍に発生するホットスポットHS(高い電場増強度を呈する領域)は、ボトム端B及び第2金属層30の平面視における端部であって、基板1から離れた側の上部(トップ端T)に発生する。GSPPモデルにおいても、同様にAg粒子のそれぞれボトム端及びトップ端に相当する位置に発生する(図12参照)。   On the other hand, when the second metal layer 30 is arranged to satisfy the above conditions, the hot spot HS (a region exhibiting a high degree of electric field enhancement) generated near one second metal layer 30 is the bottom end B and the second metal It occurs at the upper end (top end T) of the end of the layer 30 in plan view and on the side away from the substrate 1. Also in the GSPP model, it occurs at positions corresponding to the bottom and top ends of Ag particles, respectively (see FIG. 12).

ホットスポットの強度は、ボトム端Bとトップ端Tとで、各種の条件により大小関係が生じることがあるが、本実施形態の電場増強素子100ではこれら両方のホットスポットHSに、物体Mが接触できるため、ボトム端に相当する位置に物体Mが接触しにくいGSPPモデルに比較すると、総合的な電場増強度(トータル)として、より大きい値を得ることができる。   Although the magnitude of the strength of the hot spot may be large and small depending on various conditions at the bottom end B and the top end T, in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, the object M contacts both hot spots HS. Since this can be performed, a larger value can be obtained as the overall electric field enhancement (total) as compared to the GSPP model in which the object M is less likely to contact the position corresponding to the bottom end.

よって、本実施形態の電場増強素子100によれば、希ガス等ナノオーダーの小さな試料分析だけでなく、例えば直径20−100nmのウィルス等、5nm以上の大きなサイズの被測定物質であっても高感度に定性、定量することができる。   Therefore, according to the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, not only a small sample analysis of nano order such as a rare gas but also a measurement substance having a large size of 5 nm or more, such as a virus with a diameter of 20-100 nm, for example The sensitivity can be quantified and quantified.

1.5.第2金属層の配列と伝播型表面プラズモン及び局在型表面プラズモンとの関係
図13は、第2金属層の配列と、LSP(LSPR:Locarized Surface Plasmon Resonance)及びPSP(PSPR:Propagating Surface Plasmon Resonance)との関係を説明するための図である。なお、図13において、(a)は電場増強素子の平面を模式的に示しており、(b)は電場増強素子の(a)のB−B線断面を模式的に示しており、(c)は電場増強素子の(a)のC−C線断面を模式的に示している。
1.5. The relationship between the arrangement of the second metal layer and the propagating surface plasmon and the localized surface plasmon FIG. 13 shows the arrangement of the second metal layer, LSP (Lossified Surface Plasmon Resonance), and PSP (PSPR: Propagating Surface Plasmon Resonance). Is a diagram for explaining the relationship between In FIG. 13, (a) schematically shows a plane of the electric field enhancing element, (b) schematically shows a cross section taken along line B-B of (a) of the electric field enhancing element, (c ) Schematically shows a cross section taken along the line C-C of (a) of the electric field enhancing element.

ここで、第2金属層の周辺に発生するLSPには、隣り合う第2金属層間に生じるモード(以下、「PPGM」(Particle−Particle Gap Mode)という。)、及び、第2金属層と第1金属層(ミラーの機能も有する。)との間に生じるモード(以下、「PMGM」(Particle−Mirror Gap Mode)という。)の2種のモードが存在することが知られている(図13参照)。   Here, in the LSP generated around the second metal layer, a mode (hereinafter referred to as “PPGM” (Particle-Particle Gap Mode)) generated between the adjacent second metal layers, and the second metal layer and the second metal layer. It is known that there are two types of modes (hereinafter referred to as “PGM-Mirror Gap Mode”) that occur between one metal layer (which also has the function of a mirror) (hereinafter referred to as “PMGM”) (FIG. 13). reference).

PPGM及びPMGMの2種のモードのLSPは、いずれも、電場増強素子に励起光が入射されることにより発生する。これらのうち、PPGMのLSPは、第2金属層が接近
する(第2金属層間の距離が小さくなる)ほど強度が高くなる。また、PPGMのLSPは、励起光の電場の振動の成分(偏光成分)が、接近した第2金属層の並ぶ方向に多いほど強度が高くなる。一方、PMGMのモードのLSPは、第2金属層の配列や励起光の偏光方向には大きく影響されず、励起光が照射されることにより第2金属層と第1金属層との間(第2金属層の下方)に生成する。そして、PSPは、第1金属層の表面付近を伝播するプラズモンであり、第1金属層に励起光が入射されることにより、入射光の偏光の向きに依らず第1金属層の表面近傍を等方的に伝播する。
Both LSP of the two types of PPGM and PMGM are generated when excitation light is incident to the electric field enhancing element. Among these, LSP of PPGM becomes higher in strength as the second metal layer approaches (the distance between the second metal layers decreases). In addition, the strength of LSP of PPGM becomes higher as the component (polarization component) of the vibration of the electric field of the excitation light increases in the direction in which the approaching second metal layers are arranged. On the other hand, the LSP of the PMGM mode is not largely affected by the arrangement of the second metal layer or the polarization direction of the excitation light, and irradiation of the excitation light results in an interval between the second metal layer and the first metal layer 2) formed under the metal layer). And PSP is a plasmon which propagates near the surface of the first metal layer, and excitation light is incident on the first metal layer, thereby making the vicinity of the surface of the first metal layer regardless of the direction of polarization of the incident light. It propagates isotropically.

図13には、Hybrid構造と、Basic構造及び1ライン構造の比較を模式的に示した。電場増強素子に照射される励起光の偏光方向は、図中矢印で示してある。なお、Basic構造、1ライン構造、及びHybrid構造なる語句は、本明細書においてそれぞれを区別するために用いられる造語であり、それらの意味を、以下に説明する。   FIG. 13 schematically shows a comparison of the Hybrid structure, the Basic structure, and the one-line structure. The polarization direction of the excitation light irradiated to the electric field enhancing element is indicated by an arrow in the figure. The terms “Basic structure, one-line structure,” and “Hybrid structure” are coined terms used to distinguish each other in the present specification, and their meanings will be described below.

まず、Basic構造は、第2金属層が平面的に見て密に配置された構造であり、励起光の照射により、PPGMのLSPR及びPMGMのLSPRが励起されている。この例において、PPGMのLSPRは、励起光の偏光方向における第2金属層の両端に発生しているが、Basic構造は第2金属層の配列の異方性が小さいため、励起光が偏光光でない場合にも同様に、励起光の電場ベクトルの成分にしたがって発生する。Basic構造では、第2金属層の分散関係から、第2金属層が密に配置される結果、波数kが大となり、PSPRが生じる波長が短い方へシフトし、図10より実部の誘電率が小さくなる。その結果、PSPRは微弱であるか生じておらず、図示ではPSPRを表す模式的な波線が省略してある。   First, the Basic structure is a structure in which the second metal layers are densely arranged in plan view, and LSPR of PPGM and LSPR of PMGM are excited by the irradiation of the excitation light. In this example, LSPR of PPGM occurs at both ends of the second metal layer in the polarization direction of the excitation light, but since the basic structure has a small anisotropy of the arrangement of the second metal layer, the excitation light is polarized light Also in the case of not being generated according to the component of the electric field vector of the excitation light. In the Basic structure, the second metal layer is densely disposed due to the dispersion relation of the second metal layer. As a result, the wave number k becomes large, the wavelength at which the PSPR occurs is shifted to the shorter side, and FIG. Becomes smaller. As a result, PSPR is weak or not generated, and a schematic wavy line representing PSPR is omitted in the figure.

次に、1ライン構造は、第2金属層が平面的に見て、Basic構造及びHybrid構造の中間的な密度で配置された構造である。すなわち1ライン構造は、上述の第2金属層30の配列でいうとP1<P2の関係がある。1ライン構造は、第2金属層の配列が異方性を有するため、発生するLSPRが、励起光の偏光方向に依存する。1ライン構造のうち、LSPR⊥PSPRの場合(すなわち、第2金属層間の間隔の狭い方向に沿う方向の直線偏光光を入射する場合)には、当該励起光の照射により、PPGMのLSPR及びPMGMのLSPRが励起されている。そして、1ライン構造であるため、第2金属層が疎に配置される結果、PSPR(図中波線)が発生する。   Next, the one-line structure is a structure in which the second metal layer is arranged at an intermediate density between the Basic structure and the Hybrid structure in plan view. That is, the one-line structure has a relationship of P1 <P2 in the arrangement of the second metal layer 30 described above. In the one-line structure, since the arrangement of the second metal layer has anisotropy, the generated LSPR depends on the polarization direction of the excitation light. In the one-line structure, in the case of LSPR 場合 PSPR (ie, in the case of incidence of linearly polarized light in a direction along the narrow direction of the distance between the second metal layers), irradiation of the excitation light LSPR is excited. And since it is 1 line structure, as a result of the 2nd metal layer being sparsely arranged, PSPR (wave line in a figure) occurs.

1ライン構造のうち、LSPR‖PSPRの場合(すなわち、第2金属層間の間隔の広い方向に沿う方向の直線偏光光を入射する場合)には、当該励起光の照射により、PMGMのLSPRが励起されている。この場合、PPGMのLSPRは、励起光の偏光方向に沿う方向の第2金属層間が離れているため、LSPR⊥PSPRの場合と比較すれば微弱であり、図示では省略してある。そして、1ライン構造であるため、第2金属層が疎に配置される結果、PSPR(図中波線)が発生する。   In the case of LSPR ‖ PSPR (that is, when linearly polarized light in the direction along the wide direction of the distance between the second metal layers is incident) of the one-line structure, the irradiation of the excitation light excites LSPR of PMGM. It is done. In this case, since the second metal layer in the direction along the polarization direction of the excitation light is separated, LSPR of PPGM is weak compared to the case of LSPR⊥PSPR, and is not shown in the figure. And since it is 1 line structure, as a result of the 2nd metal layer being sparsely arranged, PSPR (wave line in a figure) occurs.

なお、図13においては、1ライン構造として、金属列が1つの列から構成される態様が例示されているが、既に述べたとおり、金属列は、複数の金属列(第1金属列及び第2金属列等)から構成されることができ、その場合においても、P1<P2の関係であれば、1ライン構造に分類されることができる。そして、この場合であってもPPGMのLSPR、PMGMのLSPR、及びPSPRの励起の態様は、金属列が1つの金属列(第1金属列)から構成される1ライン構造と同様となる。   Although FIG. 13 exemplifies a mode in which a metal row is formed of one row as a one-line structure, as described above, the metal rows include a plurality of metal rows (a first metal row and a first metal row Even in this case, if it is a relationship of P1 <P2, it can be classified into a one-line structure. And, even in this case, the modes of LSPR of PPGM, LSPR of PMGM, and excitation of PSPR are similar to the one-line structure in which the metal string is composed of one metal string (first metal string).

Hybrid構造は、第2金属層が平面的に見て、Basic構造と比較して疎に配置された構造であり、励起光の照射により、PMGMのLSPRが励起されている。この例において、PPGMのLSPRは、第2金属層間が離れているため、Basic構造と比較すれば微弱に生成しており、図示では省略してある。Hybrid構造では、第2金属
層が疎に配置される結果、入射光の偏光方向にかかわらず、PSPR(図中波線)が第1方向にも第2方向にも発生する。
The hybrid structure is a structure in which the second metal layer is disposed sparsely as compared to the basic structure in plan view, and the irradiation of the excitation light excites the LSPR of PMGM. In this example, since PPMR's LSPR is separated from the second metal layer, it is weakly generated in comparison with the Basic structure, and is not shown in the figure. In the hybrid structure, as a result of the second metal layers being arranged sparsely, PSPR (wave line in the figure) is generated in both the first direction and the second direction regardless of the polarization direction of the incident light.

なお、図13では偏光光を入射した場合について説明しているが、いずれの構造においても、偏光されていない励起光や円偏光光が入射された場合には、その電場の振動方向の成分に応じて上述の各SPRが発生する。   Although FIG. 13 describes the case where polarized light is incident, in any structure, when excitation light or circularly polarized light which is not polarized is incident, the component in the vibration direction of the electric field is input. In response, the above-described SPRs occur.

各構造における全体のSPRの強度(電場増強度)は、それぞれに発生するSPRの総和(又は積)と関連している。全SPRの強度に対するPSPRの寄与度は、各構造において第2金属層の形状及び大きさが同じ場合、Basic構造<1ライン構造<Hybrid構造の順で大きくなる。また、全SPRの強度に対するLSPR(PPGM及びPMGM)の寄与度は、各構造において第2金属層の形状及び大きさが同じ場合、第2金属層の密度(HSD)の観点から、Hybrid構造<1ライン構造<Basic構造の順で大きくなる。さらに、HSD及びPPGMのLSPRに着目すると、全SPRの強度に対するPPGMのLSPRの寄与度は、Hybrid構造<1ライン‖構造<1ライン⊥構造<Basic構造の順で大きくなる。   The overall SPR intensity (field enhancement) in each structure is associated with the sum (or product) of the SPRs generated in each. The degree of contribution of PSPR to the intensity of the entire SPR increases in the order of Basic structure <1 line structure <Hybrid structure when the shape and size of the second metal layer are the same in each structure. In addition, the degree of contribution of LSPR (PPGM and PMGM) to the strength of all SPRs is the hybrid structure from the viewpoint of the density (HSD) of the second metal layer when the shape and size of the second metal layer are the same in each structure. It becomes larger in the order of 1 line structure <Basic structure. Furthermore, focusing on HSD and PPGM's LSPR, the degree of contribution of PPGM's LSPR to the intensity of all SPRs increases in the order of Hybrid structure <1 line‖structure <1 line⊥structure <Basic structure.

Hybrid構造は、他の構造と比較して、PSPRの強度が最も強く、係るPSPRの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、PPGMのLSPRの強度は小さく、第2金属層の密度も小さいものの、PMGMのLSPRとPSPRとが電磁的に強く相互作用する(相乗的に結合する)。   The Hybrid structure has the strongest strength of the PSPR as compared to other structures, and the largest contribution of the PSPR to the overall degree of enhancement. Then, although the strength of the PPGM LSPR is small and the density of the second metal layer is also small, the PMGM LSPR and PSPR interact electromagnetically strongly (synergetically couple).

他方、1ライン⊥構造及び1ライン‖構造は、他の構造と比較して中間的な強度のLSPR及びPSPRが電磁的に強く相互作用する(相乗的に結合する)構造である。また、1ライン⊥構造では、強度の大きいPPGMのLSPRとPSPRとが電磁的に強く相互作用する。また、1ライン‖構造では、中間的な密度(Hybrid構造よりも高い密度)で発生したPMGMのLSPRとPSPRとが電磁的に強く相互作用する。   On the other hand, the one-line wedge structure and the one-line wedge structure are structures in which LSPRs and PSPRs of intermediate intensity strongly interact (synergistically combine) compared to the other structures. Further, in the one-line cage structure, LSPR and PSPR of PPGM with high strength interact electromagnetically strongly. Further, in the one-line wedge structure, PMGM's LSPR and PSPR generated at an intermediate density (higher than the hybrid structure) interact electromagnetically strongly.

したがって、1ライン⊥構造及び1ライン‖構造は、PSPRがほとんど発生しないBasic構造や、PPGMのLSPRがほとんど発生しないHybrid構造とは、少なくとも第2金属層の密度及び各SPRの寄与率が異なり、電場増強のメカニズムが異なっているといえる。   Therefore, the 1-line ridge structure and the 1-line ridge structure differ in at least the density of the second metal layer and the contribution ratio of each SPR from the Basic structure in which PSPR hardly occurs and the Hybrid structure in which LSPR of PPGM hardly occurs. It can be said that the mechanism of the electric field enhancement is different.

なお、各構造において、第2金属層の大きさ(例えば平面視における直径や、厚さ)を変化させることにより、全SPRの強度に対するPSPRの寄与度や、全SPRの強度に対するPPGMのLSPRの寄与度は、変化する。   In each structure, by changing the size of the second metal layer (for example, the diameter or thickness in plan view), the contribution of PSPR to the strength of all SPRs, or the LSPR of PPGM to the strength of all SPRs. The degree of contribution changes.

本実施形態に係る電場増強素子100では、Hybrid構造(P1=P2)又は1ライン構造(P1<P2)を有し、図13に示すように、複数の第2金属層30は、第1金属層10の表面付近を伝播するPSPを励起可能な周期配列を有している。そして、電場増強素子100は、PSPとLSPとが電磁的に結合するように誘電体柱20の高さ(第1金属層10と第2金属層30との間の距離G(ギャップ))を設計することにより、図13に示すように、第1金属層に励起されるPSPと、第2金属層に励起されるLSPとを電磁的に相互作用させることができる。   The electric field enhancing element 100 according to the present embodiment has a hybrid structure (P1 = P2) or a one-line structure (P1 <P2), and as shown in FIG. 13, the plurality of second metal layers 30 is a first metal It has a periodic arrangement capable of exciting the PSP propagating near the surface of the layer 10. Then, the electric field enhancing element 100 sets the height G (gap) between the first metal layer 10 and the second metal layer 30 so that the PSP and the LSP are electromagnetically coupled. By designing, as shown in FIG. 13, PSP excited in the first metal layer and LSP excited in the second metal layer can be electromagnetically interacted.

1.6.第2金属層の配置と増強度の関係
本実施形態に係る電場増強素子100における第2金属層30の配置は、既に説明したとおり、P1=P2のHybrid構造、又は、P1<P2の1ライン構造に属する。本実施形態に係る電場増強素子100は、第2金属層30の配置に依存して、好適な第1金属層10と第2金属層30との間の距離G、並びに、好適な基板1の屈折率nが存在する
。以下このことを場合分けして説明する。
(I−i)第2金属層30の配置が、Hybrid構造又は1ライン構造である場合、すなわち、
P1≦P2≦Q+P2/10 ・・・(1)、又は、
P1≦P2≦Q+P1 ・・・(13)を満たし、かつ、PSPRが強く発生してLSPRとの相互作用が比較的大きい場合(Basic構造でない場合)には、第1金属層10と第2金属層30との間の距離G[nm]は、下記式(3)の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
1.6. The relationship between the arrangement of the second metal layer and the degree of enhancement As described above, the arrangement of the second metal layer 30 in the electric field enhancing element 100 according to this embodiment is a hybrid structure of P1 = P2 or one line of P1 <P2. Belongs to the structure. The electric field enhancing element 100 according to the present embodiment depends on the arrangement of the second metal layer 30, and the distance G between the preferred first metal layer 10 and the second metal layer 30 as well as the preferred substrate 1. There is a refractive index n. Hereinafter, this will be described separately.
(Ii) When the arrangement of the second metal layer 30 is a hybrid structure or a one-line structure, that is,
P1 ≦ P2 ≦ Q + P2 / 10 (1) or
P1 ≦ P2 ≦ Q + P1 (13) The first metal layer 10 and the second metal are satisfied if PSPR occurs strongly and interaction with LSPR is relatively large (in the case of not having a Basic structure) When the distance G [nm] between the layer 30 and the layer 30 satisfies the relationship of the following formula (3), a high degree of electric field enhancement can be obtained.

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm] ・・・(3)
[式(3)中、εは、第1金属層10の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第1金属層10の厚さ方向からの傾斜角、λiは、入射光の波長[nm]を表す。]
(I−ii)第2金属層30の配置が、Hybrid構造又は1ライン構造である場合、すなわち、
P1≦P2≦Q+P2/10 ・・・(1)、又は、
P1≦P2≦Q+P1 ・・・(13)を満たし、かつ、PSPRが強く発生してLSPRとの相互作用が比較的大きい場合(Basic構造でない場合)には、基板1の屈折率は下記式(4)の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
[In the formula (3), ε is the dielectric constant around the first metal layer 10, θ is the irradiation angle of incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer 10, λi is the incident angle Represents the wavelength [nm] of light. ]
(I-ii) When the disposition of the second metal layer 30 is a hybrid structure or a one-line structure, ie,
P1 ≦ P2 ≦ Q + P2 / 10 (1) or
P1 ≦ P2 ≦ Q + P1 (13) When PSPR is strongly generated and interaction with LSPR is relatively large (in the case of not having a Basic structure), the refractive index of substrate 1 is the following formula ( A high degree of electric field enhancement can be obtained by satisfying the relationship 4).

0.9・ε1/2≦n≦1.1・ε1/2 ・・・(4)
[式(4)中、εは、第1金属層10の周辺の誘電率、nは、基板1の屈折率を表す。]
なお、上記(I−i)及び(I−ii)の場合は、入射光は、偏光光であっても偏光光でなくてもよく、また、偏光光である場合には、第1方向の直線偏光光、第2方向の直線偏光光、円偏光光及びそれらの組み合わせのいずれであってもよい。すなわち、上述の通り、いずれの入射光によっても、PSPR及びLSPRが発生して両者が相互作用することによる高い電場増強度を得ることができる。
(II−i)第2金属層30の配置が1ライン構造である場合、すなわち、
P1<P2≦Q+P1 ・・・・(5)、又は、
P1<P2≦Q+P2/10 ・・・(6)を満たし、かつ、入射光が第1方向の直線偏光光(第1金属列31の延びる方向に沿う方向の直線偏光光)である場合(これを「1ライン⊥」と称する)には、第1金属層10と第2金属層30との間の距離G[nm]は、下記式(3)の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
0.9 · ε 1/2 ≦ n ≦ 1.1 · ε 1/2 (4)
[In the formula (4), ε represents the dielectric constant of the periphery of the first metal layer 10, and n represents the refractive index of the substrate 1. ]
In the case of (Ii) and (I-ii), the incident light may or may not be polarized light, and in the case of polarized light, the incident light may be in the first direction. The light may be linearly polarized light, linearly polarized light in the second direction, circularly polarized light, or a combination thereof. That is, as described above, PSPR and LSPR can be generated by any incident light, and a high degree of electric field enhancement due to the interaction between the two can be obtained.
(II-i) When the arrangement of the second metal layer 30 has a one-line structure, that is,
P1 <P2 ≦ Q + P1 (5) or
P1 <P2 ≦ Q + P2 / 10 (6), and the incident light is linearly polarized light in the first direction (linearly polarized light in the direction along the extending direction of the first metal row 31) (this is the case) The distance G [nm] between the first metal layer 10 and the second metal layer 30 has a high degree of electric field enhancement by satisfying the relationship of the following formula (3). You can get it.

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm] ・・・(3)
[式(3)中、εは、第1金属層10の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第1金属層10の厚さ方向からの傾斜角、λiは、入射光の波長[nm]を表す。]
(II−ii)第2金属層30の配置が1ライン構造である場合、すなわち、
P1<P2≦Q+P1 ・・・・(5)、又は、
P1<P2≦Q+P2/10 ・・・(6)を満たし、かつ、入射光が第1方向の直線偏光光(第1金属列31の延びる方向に沿う方向の直線偏光光)である場合(1ライン⊥)には、基板1の屈折率は下記式(4)の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
[In the formula (3), ε is the dielectric constant around the first metal layer 10, θ is the irradiation angle of incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer 10, λi is the incident angle Represents the wavelength [nm] of light. ]
(II-ii) When the arrangement of the second metal layer 30 has a one-line structure, that is,
P1 <P2 ≦ Q + P1 (5) or
P1 <P2 ≦ Q + P2 / 10 (6) and the incident light is linearly polarized light in the first direction (linearly polarized light in the direction along the extending direction of the first metal row 31) (1 When the refractive index of the substrate 1 satisfies the relationship of the following equation (4), a high degree of electric field enhancement can be obtained.

0.9・ε1/2≦n≦1.1・ε1/2 ・・・(4)
[式(4)中、εは、第1金属層10の周辺の誘電率、nは、基板1の屈折率を表す。](III−i)第2金属層30の配置が1ライン構造である場合、すなわち、
P1<P2≦Q+P1 ・・・・(5)、又は、
P1<P2≦Q+P2/10 ・・・(6)を満たし、かつ、入射光が第2方向の直
線偏光光(第1金属列31(金属列)の延びる方向に交差する方向の直線偏光光)である場合(これを「1ライン‖」と称する)には、第1金属層10と第2金属層30との間の距離G[nm]は、下記式(7)の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
0.9 · ε 1/2 ≦ n ≦ 1.1 · ε 1/2 (4)
[In the formula (4), ε represents the dielectric constant of the periphery of the first metal layer 10, and n represents the refractive index of the substrate 1. (III-i) When the arrangement of the second metal layer 30 has a one-line structure, that is,
P1 <P2 ≦ Q + P1 (5) or
P1 <P2 ≦ Q + P2 / 10 (6) and at the same time, linearly polarized light in the second direction (linearly polarized light in the direction intersecting the extending direction of the first metal row 31 (metal row)) In the case (this is referred to as “one line ‖”), the distance G [nm] between the first metal layer 10 and the second metal layer 30 satisfies the relationship of the following formula (7) A high degree of electric field enhancement can be obtained.

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦220[nm]・λi/785[nm] ・・・(7)
[式(7)中、εは、第1金属層10の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第1金属層10の厚さ方向からの傾斜角、λiは、入射光の波長[nm]を表す。]
本項で説明した数値「20[nm]」、「270[nm]」、「220[nm]」、及び「785[nm]」は、いずれも、発明者らの検討により実験的に得られた経験値であり、本発明の重要なパラメーターの1つである。上記(I−i)〜(III−i)のいずれかの条件を満たすことにより、本実施形態の電場増強素子100の電場増強度が極めて高くなる。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <= 220 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (7)
[In the formula (7), ε is a dielectric constant around the first metal layer 10, θ is an irradiation angle of incident light, and an inclination angle from the thickness direction of the first metal layer 10, λi is an incident angle Represents the wavelength [nm] of light. ]
The numerical values “20 [nm]”, “270 [nm]”, “220 [nm]”, and “785 [nm]” described in this section are all obtained experimentally by the inventors. It is an experience value, which is one of the important parameters of the present invention. By satisfying the above conditions (Ii) to (III-i), the degree of electric field enhancement of the electric field enhancing element 100 of this embodiment becomes extremely high.

上記式(3)及び式(7)における上限値に乗じられる(λi/785[nm])は、励起光の波長が変化しても各式が成立するため、このことを表現するための補正項である。これらの値や補正項については、後述の実験例で立証される。   Since each equation holds even if the wavelength of the excitation light changes (λi / 785 [nm]) multiplied by the upper limit value in the above equations (3) and (7), a correction for expressing this It is a term. These values and correction terms are proved in the following experimental examples.

1.7.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。
1.7. Enhancement The relationship between the electric field Ex in the X direction (first direction) and the magnitude of the electric field Ez in the Z direction (thickness direction), that is, the vector changes according to the mesh position of 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 degree of enhancement can be grasped using the square root of the sum of squares of Ex and Ez, that is, SQRT (Ex 2 + Ez 2 ). In this way, they can be compared to one another as scalars 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、素子の厚み方向を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 figures in the present specification, the first direction may be referred to as the X direction, and that direction may be expressed by the notation “X”. Also, the second direction may be referred to as the Y direction, and that direction may be expressed by the notation “Y”. Also, the thickness direction of the element may be referred to as the Z direction, and that 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。
SERS (Surface Enhancement Raman Scattering) effect uses Hot Spot Density (HSD) as SERS EF (Enhancement Factor), where the electric field enhancement degree at the wavelength of excitation light is Ei, the electric field enhancement degree at the wavelength after Raman scattering is Es The following formula (a)
SERS EF = Ei 2 · Es 2 · HSD (a)
Is represented by

ここで、例えば、600nmの励起波長で、1000cm-1以下のストークス散乱は、散乱波長が最大で638nmとなり、励起波長との差が40nm以下であるため、
Ei2・Es2≒Emax4
と近似することができる(Emaxは最大増強度である。)。
Here, for example, at an excitation wavelength of 600 nm, Stokes scattering of 1000 cm −1 or less has a scattering wavelength of 638 nm at the maximum, and the difference from the excitation wavelength is 40 nm or less,
Ei 2 · Es 2 E Emax 4
(Emax is the maximum enhancement).

従って、式(a)は、下記式(b)
SERS EF=Emax4・HSD ・・・(b)
と置くことができる。
Therefore, the formula (a) is represented by the following formula (b)
SERS EF = Emax 4 · HSD (b)
And can be put.

つまり、SERS(表面増強ラマン散乱)は、プラズモンによる電場増強度の4乗にホ
ットスポット密度を乗じたものと考えることができる。
In other words, SERS (surface enhanced Raman scattering) can be considered as the fourth power of the electric field enhancement degree by plasmons multiplied by the hot spot density.

電場増強素子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、電場増強素子100による光の増強度は、電場増強素子100の単位面積あたりの第2金属層30の数に依存する。本実施形態の電場増強素子100においては、HSDを考慮すると、電場増強素子100のSERS増強度は、Emax4/(P1・P2)に比例することになる。 When considering the degree of enhancement of the electric field enhancing element 100, it is necessary to consider so-called hot spot density (HSD). That is, the degree of light enhancement by the electric field enhancing element 100 depends on the number of second metal layers 30 per unit area of the electric field enhancing element 100. In the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, the degree of SERS enhancement of the electric field enhancing element 100 is proportional to Emax 4 / (P1 · P2) in consideration of HSD.

1.8.入射光
電場増強素子100に入射される入射光の波長は、LSP、PSPを生じ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、直線偏光光であってもよい。また、入射光は、電場が電場増強素子100の第1方向(第1金属列31の伸びる方向)と同じ方向の直線偏光光であっても、電場が電場増強素子100の第2方向(第1金属列31の並ぶ方向)と同じ方向の直線偏光光であってもよい。また入射光は、円偏光光であってもよい。さらに、偏光の方向の異なる入射光を、適宜組合わせることにより、電場増強素子100によって非常に大きい光の増強度を得るように設計することもできる。
1.8. Incident Light The wavelength of the incident light to be input to the electric field enhancing element 100 is not limited as long as LSP and PSP can be generated, and may be an electromagnetic wave including ultraviolet light, visible light and infrared light. In the present embodiment, the incident light may be linearly polarized light. Further, even if the incident light is linearly polarized light in the same direction as the first direction of the electric field enhancing element 100 (the extending direction of the first metal row 31), the electric field is the second direction of the electric field enhancing element 100 (second It may be linearly polarized light in the same direction as the direction in which the 1 metal row 31 is arranged. The incident light may be circularly polarized light. Furthermore, it is also possible to design the electric field enhancing element 100 to obtain a very large degree of light enhancement by combining incident light with different directions of polarization as appropriate.

1.9.電場増強素子の製造
本実施形態の電場増強素子100は、一例として、Niの金型を用いて射出成形を行う工程を経て製造することができる。具体的には、シリコンウエハーを熱酸化処理し、表面にレジストをコートし、EB(電子ビーム)によって、誘電体柱20に対応する位置に露光し、酸化シリコンをパターニングする。そして、表面に無電解Niメッキ又はスパッタ法でNi膜をコートした上で、Niの電鋳を行う。そして、シリコンウエハーを剥離すると、誘電体柱20の配置・形状に対応する凹部を備えたNi金型を得ることができる。
1.9. Production of Electric Field Enhancement Element The electric field enhancement element 100 of the present embodiment can be manufactured, for example, through a process of injection molding using a Ni mold. Specifically, a silicon wafer is thermally oxidized, a resist is coated on the surface, and a position corresponding to the dielectric column 20 is exposed by EB (electron beam) to pattern silicon oxide. Then, a Ni film is coated on the surface by electroless Ni plating or sputtering, and then Ni is electroformed. Then, when the silicon wafer is peeled off, it is possible to obtain a Ni mold provided with a recess corresponding to the arrangement and shape of the dielectric post 20.

次いで、Ni金型を用いて、PMMA(ポリメタクリル酸)やPC(ポリカーボネイト)を射出成形するか、UV硬化樹脂を成形して、基板上に誘電体柱20が形成された構造体を作成する。   Then, using a Ni mold, PMMA (polymethacrylic acid) or PC (polycarbonate) is injection molded, or a UV curable resin is molded to form a structure in which dielectric columns 20 are formed on the substrate. .

次いで、誘電体柱20が形成された基板上に、例えば、異方性の高いイオンビームスパッタ等を用い、Ag、Au、Al、Cu等のプラズモンを生じうる金属薄膜を20nm程度の厚みで形成すれば、本実施形態の電場増強素子を製造することができる。   Then, a thin metal film capable of generating plasmons such as Ag, Au, Al, Cu, etc. is formed with a thickness of about 20 nm on the substrate on which dielectric column 20 is formed, using, for example, highly anisotropic ion beam sputtering or the like. Then, the electric field enhancing element of this embodiment can be manufactured.

また、電場増強素子100の製造方法には、一例として、ガラス基板に第一の厚みにレジストを一層コートし、EB(電子ビーム)によって、誘電体柱20に対応する位置に露光し、エッチング及びポストベークを行うことも適用できる。そして、第二の厚みにレジストをコートし、誘電体柱20に対応する位置に露光し、エッチングを行う。そうすると、二つの深さの凹部が形成され、このような工程を経た後に、上記と同様なプロセスで、誘電体柱20の高さの異なる分析素子を製造することができる。   Further, in the method of manufacturing the electric field enhancing element 100, as an example, a glass substrate is coated with a resist to a first thickness, exposed by EB (electron beam) at a position corresponding to the dielectric column 20, and etching and Post-baking can also be applied. Then, a resist is coated to a second thickness, and a position corresponding to the dielectric pillar 20 is exposed and etched. As a result, recesses of two depths are formed, and after such steps, analysis elements with different heights of the dielectric pillars 20 can be manufactured by the same process as described above.

これらの製造方法は、いずれも一例であり、電場増強素子100は、その他の適宜の方法によって製造されることができる。また、上記例示の製造方法を用いる場合には、同一素子内に形状や高さの異なる誘電体柱20や第2金属層30が配置された電場増強素子100を容易に製造することができる。   These manufacturing methods are all examples, and the electric field enhancing element 100 can be manufactured by any other appropriate method. Further, in the case of using the above-described manufacturing method, it is possible to easily manufacture the electric field enhancing element 100 in which the dielectric pillars 20 and the second metal layer 30 having different shapes and heights are disposed in the same element.

1.10.作用効果等
本実施形態の電場増強素子100は、以下の特徴を有する。本実施形態の電場増強素子100は、光照射により励起されるプラズモンに基づき、光を非常に高い増強度かつ高いHSDで増強することができる。また、本実施形態の電場増強素子100では、ホットス
ポットの発生する位置が、第2金属層30のボトム端Bとトップ端Tとなり、これら両方のホットスポットに、測定対象とする物体Mが接触できるジオメトリを有する。そのため、ボトム端に物体Mが接触しにくいGSPPモデルに比較すると、総合的な電場増強度(トータル)として、より大きい値を得ることができる。
1.10. Operation Effect, Etc. The electric field enhancing element 100 of the present embodiment has the following features. The electric field enhancing element 100 of the present embodiment can enhance light with a very high enhancement degree and high HSD based on plasmons excited by light irradiation. Further, in the electric field enhancing element 100 of the present embodiment, the positions where the hot spots occur are the bottom end B and the top end T of the second metal layer 30, and the object M to be measured contacts these hot spots Has geometry that can. Therefore, as compared with the GSPP model in which the object M hardly contacts the bottom end, a larger value can be obtained as an overall electric field enhancement (total).

本実施形態の電場増強素子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、本実施形態の電場増強素子100の第2金属層30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、本実施形態の電場増強素子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 electric field enhancing element 100 of the present embodiment has a high degree of enhancement, for example, biological related substances such as bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, various antigens / antibodies, etc. in the fields of medicine / health, environment, food, public safety etc. It can be used as a sensor for detecting various compounds including inorganic molecules, organic molecules, and polymers at high sensitivity, high accuracy, and quickly and easily. For example, the antibody is bound to the second metal layer 30 of the electric field enhancing element 100 of the present embodiment to obtain the degree of enhancement at this time, and based on the change in the degree of enhancement when the antigen binds to the antibody. You can check the presence or amount. In addition, the degree of light enhancement of the electric field enhancing element 100 of the present embodiment can be used to enhance Raman scattered light of a trace substance.

2.分析装置
図14は、本実施形態の分析装置1000の要部を模式的に示す図である。
2. Analyzer FIG. 14 is a view schematically showing the main part of the analyzer 1000 of the present embodiment.

本実施形態の分析装置1000は、上述の電場増強素子100と、入射光を電場増強素子100に照射する光源300と、電場増強素子100から放射される光を検出する検出器400と、を備える。本実施形態の分析装置1000は、図示せぬその他の適宜な構成を備えてもよい。   The analysis apparatus 1000 of the present embodiment includes the above-described electric field enhancing element 100, a light source 300 for irradiating incident light to the electric field enhancing element 100, and a detector 400 for detecting light emitted from the electric field enhancing element 100. . The analyzer 1000 of the present embodiment may have other appropriate configurations not shown.

2.1.電場増強素子
本実施形態の分析装置1000は、電場増強素子100を備える。電場増強素子100は、上述の電場増強素子100と同様であるため、詳細な説明は省略する。
2.1. Electric field enhancing element The analyzer 1000 of the present embodiment includes an electric field enhancing element 100. The electric field enhancing element 100 is the same as the above-described electric field enhancing element 100, so the detailed description will be omitted.

電場増強素子100は、分析装置1000において、光を増強する作用、及び/又は、センサーとしての作用を担う。電場増強素子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における電場増強素子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。   The electric field enhancing element 100 is responsible for the action of enhancing light and / or the action of a sensor in the analyzer 1000. The electric field enhancing element 100 may be used in contact with a sample to be analyzed by the analyzer 1000. The arrangement of the electric field enhancing element 100 in the analyzer 1000 is not particularly limited, and may be installed on a stage or the like that can be adjusted in installation angle or the like.

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、電場増強素子100に対して入射光を照射する。光源300は、電場増強素子100の第1方向(第2金属層30の並ぶ方向であって、第1金属列31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)、電場増強素子100の第2方向(第1金属列31の並ぶ方向であって、第1金属列31の伸びる方向に交差する方向)に直線偏光した光(第2方向と同じ方向の直線偏光光)、又は、円偏光光を照射することができる。
2.2. Light Source The analyzer 1000 of the present embodiment includes a light source 300. The light source 300 irradiates the electric field enhancing element 100 with incident light. The light source 300 is linearly polarized light (in the same direction as the first direction) linearly polarized in the first direction of the electric field enhancing element 100 (the direction in which the second metal layers 30 are aligned and the first metal row 31 extends). ), Light linearly polarized in the second direction of the electric field enhancing element 100 (the direction in which the first metal rows 31 are aligned and intersects the extending direction of the first metal rows 31) (straight line in the same direction as the second direction) Polarized light) or circularly polarized light can be irradiated.

すなわち、光源300は、電場増強素子100に対して、第1方向と同じ方向の直線偏光光及び/又は第2方向と同じ方向の直線偏光光を照射する態様、又は、電場増強素子100に対して、円偏光光を照射する態様とすることができる。第1金属層10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、電場増強素子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。   That is, the light source 300 irradiates the electric field enhancing element 100 with linearly polarized light in the same direction as the first direction and / or linearly polarized light in the same direction as the second direction, or to the electric field enhancing element 100 Thus, it is possible to irradiate circularly polarized light. The inclination angle θ of the incident light emitted from the light source 300 from the thickness direction of the first metal layer 10 may be appropriately changed according to the excitation condition of the surface plasmon of the electric field enhancing 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、電場増強素子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 by the light source 300 is not particularly limited as long as it can excite the surface plasmons of the electric field enhancing element 100, and can be an electromagnetic wave including ultraviolet light, visible light, and infrared light. The light emitted by the light source 300 may or may not be coherent light. Specifically, as the light source 300, a semiconductor laser, a gas laser, a halogen lamp, a high pressure mercury lamp, a xenon lamp, etc. can be appropriately provided with a wavelength selection element, a filter, a polarizer and the like.

さらに、光源300が偏光子を備える場合には、偏光子は、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、電場増強素子100に発生したプラズモンによる電場の集中、所謂ホットスポットが生じ、そのホットスポットに付着した物質の微弱なラマン光がホットスポットの電場により増強され物質の検出を行うことができる。   Furthermore, when the light source 300 includes a polarizer, a known polarizer can be used, and a mechanism for appropriately rotating the polarizer may be provided. The light from the light source 300 becomes excitation light, concentration of the electric field by the plasmon generated in the electric field enhancing element 100, so-called hot spot is generated, and weak Raman light of the substance attached to the hot spot is enhanced by the electric field of the hot spot Detection of the substance.

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、電場増強素子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 analyzer 1000 of the present embodiment includes a detector 400. The detector 400 detects the light emitted from the electric field enhancing element 100. As the detector 400, for example, a charge coupled device (CCD), a photomultiplier, a photodiode, an imaging plate, or the like can be used.

検出器400は、電場増強素子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。   The detector 400 may be provided at a position where light emitted from the electric field enhancing element 100 can be detected, and the positional relationship with the light source 300 is not particularly limited. Also, the detector 400 may be installed in a goniometer or the like.

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 The electronic device 2000 according to the present embodiment includes the analysis device 1000 described above, a calculation unit 2010 that calculates health care information based on detection information from the detector 400, and a storage unit 2020 that stores health care information. And a display unit 2030 for displaying health and medical information.

図15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. 15 is a schematic view of the configuration of the electronic device 2000 of the present embodiment. The analyzer 1000 is the analyzer 1000 described above in “2. Analyzer”, and the detailed description 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 computing unit 2010 is, for example, a personal computer or a personal digital assistant (PDA), receives detection information (such as a signal) sent from the detector 400, and performs computation based on the information. In addition, the calculation unit 2010 may control the analysis device 1000. For example, the computing unit 2010 may control the output of the light source 300 of the analyzer 1000, control of the position, etc., 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. Then, 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 computing 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 is configured of, for example, a display plate (such as a liquid crystal monitor), a printer, a light emitter, a speaker, and the like. The display unit 2030 displays or issues a notification so that the user can recognize the content based on the health care information or the like calculated by the calculation unit 2010.

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。   Health and medical information includes at least one biological substance selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens and antibodies, or the presence or absence of at least one compound selected from inorganic molecules and organic molecules. Or it can contain information about the quantity.

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。各モデルは、FDTDシミュレーションを用い計算した。また、入射光は垂直入射としX方向(第1方向)に電場を偏光した直線偏光光を用いた。バックグラウンドの屈折率は、真空又は空気層としn=1で計算した。
4. EXPERIMENTAL EXAMPLES Experimental examples will be shown below to further explain the present invention, but the present invention is not limited at all by the following examples. The following example is a computer simulation. Each model was calculated using FDTD simulation. In addition, incident light was linearly incident light in which the electric field was polarized in the X direction (first direction) with perpendicular incidence. The refractive index of the background was calculated with n = 1 as a vacuum or an air layer.

各実験例では、図16に模式的に示すようなモデルを用いた。図16は、本実験例のシミュレーションに用いたモデルを示す模式図である。本実験例のディメンジョンは、垂直入射した633nm近傍或いは785nm近傍の励起波長を用いることを前提に設計された。本実験例のモデルは、凹状の表面が形成された金属の金型からPMMA(ポリメタアクリル酸)やPC(ポリカーボネート)等を射出成型又はUV(紫外線)硬化樹脂を成形した基板を想定した。   In each experimental example, a model as schematically shown in FIG. 16 was used. FIG. 16 is a schematic view showing a model used for the simulation of this experimental example. The dimensions of this experimental example were designed on the assumption that an excitation wavelength of around 633 nm or around 785 nm at normal incidence was used. The model of the present experimental example assumes a substrate obtained by injection molding of PMMA (polymethacrylic acid) or PC (polycarbonate) or the like or a UV (ultraviolet) curing resin from a metal mold having a concave surface.

具体的には、PMMAの凸部を、80nmD80nmT(G+T)の形状(円柱状であって、直径が80nm、高さが80nmである形状)で形成し、その凸部の側面にAgが付着しないよう、異方性の強い成膜方法でAg層(第1金属層10及び第2金属層30)を厚み20nmTで形成したものを想定した。この場合、Ag層(第2金属層30)のボトムと、Ag層(第1金属層10)のトップの高さの差(ギャップG)は60nmとなるので、このような系では図中、60Gと表記するものとする。   Specifically, the convex portion of PMMA is formed in a shape of 80 nm D 80 nm T (G + T) (cylindrical shape having a diameter of 80 nm and a height of 80 nm), and Ag does not adhere to the side surface of the convex portion As described above, it is assumed that the Ag layer (the first metal layer 10 and the second metal layer 30) is formed to a thickness of 20 nmT by a highly anisotropic film forming method. In this case, since the difference (gap G) in height between the bottom of the Ag layer (second metal layer 30) and the top of the Ag layer (first metal layer 10) is 60 nm, in such a system, It shall be written as 60G.

(計算モデルのパラメーター等)
各実験例で示されるグラフ等には、例えば「X180Y600」などの表記を用いている。「X180Y600」は、第1方向(X方向)に180nmピッチ(第1ピッチP1)、第2方向(Y方向)に600nmピッチ(第2ピッチP2)で第2金属層が配置されることを意味する。
(Parameters of calculation model etc.)
For the graphs and the like shown in each of the experimental examples, for example, a notation such as "X180Y600" is used. “X180Y600” means that the second metal layer is disposed at a pitch of 180 nm (first pitch P1) in the first direction (X direction) and at a pitch of 600 nm (second pitch P2) in the second direction (Y direction). Do.

また、数値に添えて「D」、「T」なる文字が付された場合には、モデルに用いた第2金属層が直径D、厚さTの円柱状であることを指す。また、数値に添えて「G」なる記号が付された場合には、第1金属層10と第2金属層30との間の距離G[nm]であることを指す。また、グラフの横軸にGap thicknessとあるのは、第1金属層10と第2金属層30との間の距離G[nm]のことを指している。さらに、数値が、例えば、「20−100」等と範囲を有して表記される場合は、当該範囲において計算上、当該数値が連続的又はとびとび(離散的)の値を採って計算されたことを示している。   In addition, when the letters “D” and “T” are attached to the numerical value, it means that the second metal layer used in the model has a cylindrical shape with a diameter D and a thickness T. Moreover, when the symbol “G” is attached to the numerical value, it indicates that the distance G [nm] is between the first metal layer 10 and the second metal layer 30. Further, “Gap thickness” on the horizontal axis of the graph indicates the distance G [nm] between the first metal layer 10 and the second metal layer 30. Furthermore, in the case where a numerical value is written with a range such as “20-100, etc.”, for example, the numerical value is calculated taking continuous or jump (discrete) values for calculation in the relevant range. It is shown that.

さらに、図中「Ag」又は「AG」とあるのは、注目する構成の材質が銀であることを示しており、「Au」又は「AU」とあるのは、注目する構成の材質が金であることを示している。また「@」とあるのは、「@に続けて記載された波長において、」という意味であり、例えば、「SQRT_@815nm」との記載であれば、波長815nmにおけるSQRTを指す。   Furthermore, “Ag” or “AG” in the figure indicates that the material of the configuration to be noted is silver, and “Au” or “AU” indicates that the material of the configuration to be focused is gold It shows that it is. Further, "@" means "at the wavelength followed by @", for example, "SQRT_ @ 815 nm" means SQRT at a wavelength of 815 nm.

また、各モデルを特徴付ける記号(略号)の意味であるが、例えば、X180Y600モデルとの表記の場合には、X方向に180nmのピッチの繰り返し周期、Y方向に600nmのピッチの繰り返し周期で、回折格子の役割を有する第2金属層を形成することを意味する。   In addition, although it is the meaning of the symbol (abbreviation) which characterizes each model, for example, in the case of the notation with the X180Y600 model, diffraction is performed with a repetition cycle of 180 nm pitch in the X direction and a repetition cycle of 600 nm pitch in the Y direction. It means forming a second metal layer having the role of a lattice.

一方、X600Y180モデルでは、X方向に600nmのピッチの繰り返し周期、Y方向に180nmのピッチの繰り返し周期で第2金属層を形成することを意味している。ここで、X600Y180モデルは、X180Y600モデルで、Y方向(第2方向)に偏光した入射光を入射することと同義となる。   On the other hand, in the X600Y180 model, it means that the second metal layer is formed with a repetition period of 600 nm in the X direction and a repetition period of 180 nm in the Y direction. Here, the X600Y180 model is equivalent to the incidence of incident light polarized in the Y direction (second direction) in the X180Y600 model.

また本明細書では、X180Y600モデル及びX600Y180モデルについて、い
ずれも、1ラインモデルと称する。また、X180Y180モデルのように、X方向Y方向共に小さいピッチとなるモデルをBasicモデルと呼ぶ。さらに、X方向の直線偏光光を入射する場合に、X180Y600モデルのように偏光光の偏光方向側のピッチが小さいモデルを1ライン⊥モデルと称し、X600Y180モデルのように、偏光光の偏光方向に直交する方向のピッチが小さいモデルを1ライン‖モデルと称する。さらに、X600Y600モデルのように、XY両方向のピッチが大きく、第1金属層(ミラー層)にPSPが強く生じるモデルをHybridモデルと称する。
In the present specification, both the X180Y600 model and the X600Y180 model are referred to as a one-line model. Further, a model having a small pitch in both the X direction and the Y direction as in the X180 Y180 model is called a Basic model. Furthermore, when linearly polarized light in the X direction is incident, a model having a small pitch on the polarization direction side like the X180Y600 model is referred to as a one-line ⊥ model, and as in the X600Y180 model, in the polarization direction of the polarized light. A model with a small pitch in the orthogonal direction is referred to as a one-line ‖ model. Furthermore, as in the X600Y600 model, a model in which the pitch in both the XY directions is large and the PSP is strongly generated in the first metal layer (mirror layer) is referred to as a hybrid model.

(計算の概要)
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。また、用いたメッシュの条件は、図中に記載なきものは、1nm最小メッシュとし、計算時間cTは10μmとした。
(Summary of calculation)
The calculation was performed using FDTD soft FullWAVE of Rsoft (currently Cybernet Systems Co., Ltd.). Further, as to the conditions of the mesh used, the one not described in the figure was a 1 nm minimum mesh, and the calculation time cT was 10 μm.

増強位置(ホットスポット)では、電場ExとEzの2つの成分から成立つため、以下の実験例における全ての増強度はSQRT(Ex 2+Ez 2)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。また以下、SQRT(Ex 2+Ez 2)を単に「SQRT」と称することがある。 At the enhancement position (hot spot), all the degrees of enhancement in the following experimental examples are represented by SQRT (E x 2 + E z 2 ) because they consist of two components of the electric fields E x and E z . Here, Ex indicates the electric field intensity in the polarization direction (first direction) of incident light, and Ez indicates the electric field intensity in the thickness direction. In this case, the electric field intensity in the second direction is not considered because it is small. Also, in the following, SQRT (E x 2 + E z 2 ) may be simply referred to as "SQRT".

また、励起光の照射によって表面プラズモン共鳴(SPR)が発生すると、共鳴による吸収が起き、反射率が低下する。そのため、SPR増強電場の強度は、反射率rを用いて(1−r)で表すことができる。反射率rの値がゼロに近いほど、増強電場の強度が強いという関係があるため、反射率をSPR増強電場の強度(SQRT)の二乗の指標として用いることがある。   In addition, when surface plasmon resonance (SPR) is generated by irradiation of excitation light, absorption by resonance occurs and the reflectance decreases. Therefore, the intensity of the SPR enhanced electric field can be expressed as (1-r) using the reflectance r. There is a relation that the intensity of the enhanced electric field is stronger as the value of the reflectance r is closer to zero, so the reflectance may be used as an index of the square of the intensity (SQRT) of the SPR enhanced electric field.

4.1.実験例1<Hybridモデル>
本実験例では、PMMAの誘電体柱をX600Y600のピッチで120nmD120nmDの形状で形成し、誘電体柱の側面に銀が付着しないよう異方性の強い成膜方法で全面に銀の薄膜を20nm形成したものである。銀の第2金属層のボトムと銀の第1金属層の上面の高さの差は100nmとなるので、G=100Gと表記する。
4.1. Experiment 1 <Hybrid model>
In this experimental example, a dielectric pillar of PMMA is formed in a shape of 120 nm D 120 nm D at a pitch of X 600 Y 600, and a silver thin film is formed 20 nm on the entire surface by a strong anisotropic film forming method so that silver does not adhere to the side surface of the dielectric pillar. It is Since the difference in height between the bottom of the silver second metal layer and the top surface of the silver first metal layer is 100 nm, G is expressed as G = 100G.

図17は、本実験例のモデルの反射率の波長特性(ファーフィールド特性)(a)及びSQRTの波長特性(ニアフィールド特性)(b)を示す。反射率の波長特性は、図17(a)に示すように複数の反射率の極小値が観測された。ここで複数の極小値が生じた。これは、ファーフィールド特性では、電場増強素子から反射する反射光の積分値を示しているためである。そこで、図17(b)に示されるニアフィールドにおける第2金属層のトップ及びボトムの波長特性、並びに、第1金属層を貫通する孔の波長特性をみると、ファーフィールド特性では、これらのピークの和となっていることが分かる。   FIG. 17 shows the wavelength characteristics (far-field characteristics) (a) of the reflectance and the wavelength characteristics (near-field characteristics) (b) of SQRT of the model of this experimental example. As for the wavelength characteristic of the reflectance, as shown in FIG. 17A, local minimum values of a plurality of reflectances were observed. Several local minima occurred here. This is because the far-field characteristic indicates the integral value of the reflected light reflected from the electric field enhancing element. Therefore, looking at the wavelength characteristics of the top and bottom of the second metal layer in the near field and the wavelength characteristics of the holes penetrating the first metal layer shown in FIG. It turns out that it is the sum of

図17(b)のグラフをみると、第2金属層のボトム(実線)第2金属層のトップ(破線)は、ハイブリッド構造によるアンチクローシングビヘビアーによって、2つのピークとなっていることが分かる。一方、第1金属層(Ag)に生ずるプラズモンのホットスポットの波長特性(灰色の線)は、2つのピークを取っていることが分かる。   Referring to the graph of FIG. 17 (b), the bottom of the second metal layer (solid line) and the top of the second metal layer (dotted line) have two peaks due to the anti-crossing vivenier by the hybrid structure I understand. On the other hand, it can be seen that the wavelength characteristic (grey line) of the hot spot of plasmon generated in the first metal layer (Ag) has two peaks.

図18には、第1金属層(Ag)に生ずるプラズモンのホットスポットの波長特性(灰色の線)及び第1金属層(Ag)のXY方向の各々の1/4ピッチに置いたXZ(0,0.15,0)モニターと、YZ(0.15,0,0)モニターにおける電場強度の波長特性を示す。また、図18には、各ピーク近傍における電場強度の分布図が付してある。図18をみると、図17における反射率及びSQRTの波長特性において見られた650nm近傍のピークは、第1金属層(Ag薄膜)の上面に存在するPSPであり、780nm
〜800nm近傍のピークは第1金属層(Ag薄膜)の下面に存在するPSPであることが分かった。
In FIG. 18, wavelength characteristics (gray line) of hot spots of plasmons generated in the first metal layer (Ag) and XZ (0) placed at each 1/4 pitch in the XY direction of the first metal layer (Ag) , 0.15, 0) and YZ (0.15, 0, 0) monitors show the wavelength characteristics of the electric field intensity. Further, FIG. 18 shows a distribution diagram of the electric field intensity in the vicinity of each peak. Referring to FIG. 18, the peak near 650 nm seen in the reflectance and the wavelength characteristic of SQRT in FIG. 17 is PSP existing on the top surface of the first metal layer (Ag thin film), which is 780 nm
It was found that the peak around ̃800 nm was PSP present on the lower surface of the first metal layer (Ag thin film).

次に、材質を銀及び金として、X600Y600モデル(633nm励起モデル)の反射率のピーク波長及びギャップ(第1金属層と第2金属層との間の距離)G依存性を調べた。図19は、X600Y600モデルの反射率のピーク波長及びギャップG依存性を示すグラフである。   Next, the peak wavelength and the gap (the distance between the first metal layer and the second metal layer) G dependency of the reflectance of the X600Y600 model (633 nm excitation model) were examined using silver and gold as materials. FIG. 19 is a graph showing the peak wavelength and the gap G dependency of the reflectance of the X600Y600 model.

第2金属層のトップの位置は、標的物質が最も接触しやすい位置であるため、図17及び図18から理解されるとおり、図17における最も短波長側のピーク(吸収)が電場増強素子の総合的な増強度を高めるために重要であることが分かる。したがって、図19においては、最も短波長側のピークに着目する。   The position of the top of the second metal layer is the position where the target substance is most likely to be in contact, so that the peak (absorption) on the shortest wavelength side in FIG. It turns out that it is important to increase the overall degree of enhancement. Therefore, in FIG. 19, the peak on the shortest wavelength side is focused.

また、図19から分かるように、ギャップGは、20nmよりも小さい場合には反射率は大きく(増強度は小さく)なることが予想される。さらに、ギャップGが20nmよりも小さいと第1金属層と第2金属層とが接近するため素子の製造が困難となることがあるため、以下、G=20nm(20G)を基準として、それよりも良好な反射率(良好な増強度)が得られるGを求める。   Also, as can be seen from FIG. 19, it is expected that the reflectance is large (the degree of enhancement is small) when the gap G is smaller than 20 nm. Furthermore, if the gap G is smaller than 20 nm, the first metal layer and the second metal layer may approach to each other, which may make it difficult to manufacture the device. Therefore, based on G = 20 nm (20 G), Also, determine G that provides good reflectance (good enhancement).

633nm励起モデル(X600Y600モデル)では、AGでは20nm<G≦240nmにおいて、AUでは20nm<G≦220nmにおいて、G=20nmの場合よりも低い反射率(高い増強度)が得られることが分かった。また、この結果から、Ag及びAuにおいて、反射率の波長特性の傾向が似ており、好適なGの範囲も大きく相違しないことが分かった。   In the 633 nm excitation model (X600Y600 model), it was found that lower reflectance (higher enhancement) was obtained at 20 nm <G ≦ 240 nm for AG and at 20 nm <G ≦ 220 nm for AU than G = 20 nm. Further, it is understood from this result that the tendency of the wavelength characteristic of reflectance is similar in Ag and Au, and the preferable range of G is not largely different.

材質を銀として、X780Y780モデル(785nm励起モデル)の反射率及び増強度のギャップ(第1金属層と第2金属層との間の距離)G依存性を調べた。図20は、X780Y780モデルの反射率及びSQRTのギャップG依存性を示すグラフである。   The material is silver, and the G dependency of the reflectivity and the enhancement (the distance between the first metal layer and the second metal layer) of the X780Y780 model (785 nm excitation model) was examined. FIG. 20 is a graph showing the reflectivity G of the X780 Y780 model and the gap G dependency of SQRT.

図19と同様の理由で、G=20nmを基準とすると、20nm<G≦280nmにおいてG=20nmの場合よりも低い反射率(高い増強度)が得られることが分かった。このことはSQRTで調べても同様の傾向があり、第2金属層のトップの位置では、20nm<G≦310nm、ボトムの位置では20nm<G≦280nmでG=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。   For the same reason as FIG. 19, it was found that when G = 20 nm is used as a reference, a lower reflectance (higher enhancement) is obtained at 20 nm <G ≦ 280 nm than in the case of G = 20 nm. This has the same tendency when examined by SQRT, and at the top position of the second metal layer, 20 nm <G ≦ 310 nm, at the bottom position, 20 nm <G ≦ 280 nm and higher than G = 20 nm. It turned out that (SQRT) is obtained.

以上から、785nm励起モデルでは、Gの上限は280nm程度であり、633nm励起モデルでは、Gの上限は220nm程度であることが分かった。そして、これらの上限値を励起波長で規格化してみると、220×785/633=273となり、Gの範囲の上限値は、励起波長にほぼ比例することが分かった。   From the above, it was found that the upper limit of G is about 280 nm in the 785 nm excitation model, and the upper limit of G is about 220 nm in the 633 nm excitation model. Then, when these upper limit values are normalized with the excitation wavelength, it becomes 220 × 785/633 = 273, and it is found that the upper limit value of the range of G is approximately proportional to the excitation wavelength.

また、本実験例では、環境を空気層又は真空を想定して、n1=1としたが、水溶液など周辺誘電率がε1/2の場合、並びに、第1金属層の厚さ方向と入射光(波長λi)のなす角度θを考慮すると、Gは、既に述べた式(3)の関係となることが分かった。 Further, in the present experimental example, assuming that the environment is an air layer or vacuum, n 1 = 1 but the peripheral dielectric constant such as an aqueous solution is ε 1/2 and the thickness direction of the first metal layer In consideration of the angle θ formed by the incident light (wavelength λi), it has been found that G has the relationship of the equation (3) already described.

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm] ・・・(3)
なお本実験例は、上述の(I−i)及び(II−i)に対応する。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
This experimental example corresponds to (I-i) and (II-i) described above.

4.2.実験例2<Hybridモデルにおける基板の屈折率>
実験例1において、図17と図18から、ファーフィールド特性における4本以上のピ
ークのうち2本は、第1金属層(Ag薄膜)の上面に発生するPSPが短波長側に現れ、下面に発生するPSPが長波長側に現れることが分かった。
4.2. Experimental Example 2 <Refractive Index of Substrate in Hybrid Model>
In Experimental Example 1, from FIG. 17 and FIG. 18, PSP generated on the upper surface of the first metal layer (Ag thin film) appears on the short wavelength side in two of four or more peaks in the far-field characteristic, It was found that the generated PSP appeared on the long wavelength side.

実験例1では、第1金属層(Ag薄膜)の下面側には基板としてPMMAが存在している。PMMAの屈折率は1.48である。つまり、20nmという薄い第1金属層(Ag薄膜)は、光を容易に透過するので、第1金属層(Ag薄膜)の上面側は周辺屈折率ε1/2=1であるのに対し、下面側は周辺屈折率ε1/2=1.48と異なるため、2つのピーク特性を示す。 In Experimental Example 1, PMMA is present as a substrate on the lower surface side of the first metal layer (Ag thin film). The refractive index of PMMA is 1.48. That is, since a thin first metal layer (Ag thin film) of 20 nm easily transmits light, the upper surface side of the first metal layer (Ag thin film) has a peripheral refractive index ε 1/2 = 1, while Since the lower surface side is different from the peripheral refractive index ε 1/2 = 1.48, it exhibits two peak characteristics.

図21は、X780Y780160D20T_AG_80Gモデルの基板をPMMAとした場合と空気とした場合のSQRTの波長特性のグラフである。   FIG. 21 is a graph of SQRT wavelength characteristics when the substrate of the X780Y780160D20T_AG_80G model is PMMA and when it is air.

図21をみると、基板の屈折率n=1として、第1金属層の上面側の誘電率ε1/2=1と同じにすると、第1金属層の上下に生じるPSPの波長特性が、基板をPMMAとした場合よりも揃っていることが分かる。すなわち、基板の屈折率を1とすると、第1金属層の上下に生じるPSPのピーク波長がそれぞれ近づいている。そして、SQRTの値は、PMMA基板の場合は40程度であったが、65程度と大きくなることが判明した。この現象は第1金属層の上下に生じるPSPが共鳴しているために生じると考えられる。 Referring to FIG. 21, assuming that the refractive index n = 1 of the substrate is equal to the dielectric constant ε 1/2 = 1 on the upper surface side of the first metal layer, the wavelength characteristics of PSP generated above and below the first metal layer are It can be seen that the substrates are more aligned than in the case of PMMA. That is, assuming that the refractive index of the substrate is 1, peak wavelengths of PSPs generated above and below the first metal layer are respectively approaching. The value of SQRT was about 40 in the case of the PMMA substrate, but was found to be as large as about 65. This phenomenon is considered to occur because PSPs generated above and below the first metal layer resonate.

なお、図21の計算に用いたメッシュは、XY2nmZ2−10GGであるが、波長780nmの位置で、XY1nmZ1−5GGのメッシュを用いて計算したところ、SQRTは、90.2という非常に大きい値が得られた。   The mesh used in the calculation of FIG. 21 is XY2 nm Z2-10 GG, but when calculated using a mesh of XY1 nm Z1-5 GG at a position of wavelength 780 nm, SQRT has a very large value of 90.2. It was done.

本実験例の結果から、例えば、フッ素系の樹脂の屈折率はn=1.35でありこれを基板に用いれば、アルコール(n=1.329)や水溶液(水 n=1.333)中の物質を非常に高い感度で検出、分析できることが分かった。   From the results of this experimental example, for example, when the refractive index of a fluorine-based resin is n = 1.35 and this is used as a substrate, it is in an alcohol (n = 1.329) or an aqueous solution (water n = 1.333) It has been found that substances of the following can be detected and analyzed with very high sensitivity.

また、本実験例は、そのような現象の傾向を示唆しており、基板の屈折率nと、標的物質を含む媒体の屈折率(周辺誘電率)とは、必ずしも一致させる必要はなく、おおむね、±10%の範囲で両者を一致させる(接近させる)ことにより増強度が向上したと考えられる。   In addition, the present experimental example suggests the tendency of such a phenomenon, and the refractive index n of the substrate and the refractive index (peripheral dielectric constant) of the medium containing the target substance do not necessarily have to coincide with each other. It is considered that the degree of enhancement is improved by matching (approaching) both in the range of ± 10%.

したがって、基板の屈折率をnとしたときに、下記式(4)の関係を満たせば、高い電場増強効果が得られることが理解されよう。   Therefore, it is understood that when the refractive index of the substrate is n, a high electric field enhancing effect can be obtained if the relationship of the following formula (4) is satisfied.

0.9・ε1/2≦n≦1.1・ε1/2 ・・・(4)
[式(4)中、εは、第1金属層の周辺の誘電率、nは、基板の屈折率を表す。]
なお、本実験例ではHybridモデルについて実証したが、この結果は、PSPが発生する系で有効であり、上述の(I−ii)及び(II−ii)において成り立つ現象である。
0.9 · ε 1/2 ≦ n ≦ 1.1 · ε 1/2 (4)
[In Formula (4), (epsilon) is a dielectric constant of the periphery of a 1st metal layer, n represents the refractive index of a board | substrate. ]
In addition, although this Example demonstrated about the Hybrid model, this result is effective in the system which PSP generate | occur | produces, It is a phenomenon which holds in above-mentioned (I-ii) and (II-ii).

4.3.実験例3<1ライン‖モデル>
本実験例のモデルでは励起光の偏光方向とPSPの方向が同じであり、Hybridモデルに近い挙動を示すが、励起光の偏光方向にLSPが生じ、更にX方向、Y方向共にPSPが生ずるHybridモデルとは異なり、励起光の偏光方向、X方向に生ずるLSPとX方向の回折格子により生ずるPSPとの相互作用により増強効果が高くなる構造である。
4.3. Experimental example 3 <one-line wedge model>
In the model of this experimental example, the polarization direction of excitation light and the direction of PSP are the same and behave like a hybrid model, but LSP is generated in the polarization direction of excitation light and PSP is generated in both X and Y directions. Unlike the model, this is a structure in which the enhancement effect is enhanced by the interaction between the LSP generated in the X direction and the polarization direction of the excitation light and the PSP generated by the diffraction grating in the X direction.

図22は、AG及びAUのX780Y180モデル及びX600Y180モデル(1ライン‖モデル)のニアフィールド特性(SQRT)のギャップG依存性を示すグラフであ
る。X780Y180_AG及びX780Y180_AUは、785nmにて励起し、X600Y180_AGは600nmにて励起し、X600Y180_AUは620nmで励起した。
FIG. 22 is a graph showing the gap G dependency of the near-field characteristics (SQRT) of the AG and AU X780Y180 model and the X600Y180 model (one-line ‖ model). X780Y180_AG and X780Y180_AU were excited at 785 nm, X600 Y180_AG was excited at 600 nm, and X600 Y180_AU was excited at 620 nm.

図22をみると、X780Y180_AGの場合は、20nm<G≦260nm〜280nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。また、X780Y180_AUの場合は、20nm<G≦300nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。   Referring to FIG. 22, it was found that in the case of X780Y180_AG, at 20 nm <G ≦ 260 nm to 280 nm, a higher enhancement (SQRT) is obtained than in the case of G = 20 nm. In addition, in the case of X780Y180_AU, it was found that in 20 nm <G ≦ 300 nm, a higher degree of enhancement (SQRT) is obtained than in the case of G = 20 nm.

また、X600Y180_AG及びX600Y180AUでは、それぞれ20nm<G≦200nm及び20nm<G≦180nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。   In addition, in X600Y180_AG and X600Y180AU, it was found that at 20 nm <G ≦ 200 nm and 20 nm <G ≦ 180 nm, a higher enhancement (SQRT) is obtained than in the case of G = 20 nm.

これらのことから実験例1で述べたと同様に、Gの上限は、180×785/633=223より、励起波長にほぼ比例することが分かった。   From these facts, it was found that the upper limit of G is approximately proportional to the excitation wavelength according to 180 × 785/633 = 223, as described in Experimental Example 1.

また、本実験例においても、環境を空気層又は真空を想定して、n1=1としたが、水溶液など周辺誘電率がε1/2の場合、並びに、第1金属層の厚さ方向と入射光(波長λi)のなす角度θを考慮すると、Gは、既に述べた式(7)の関係となることが分かった。 Also in the present experimental example, assuming that the environment is an air layer or vacuum, n 1 = 1 but the peripheral dielectric constant such as aqueous solution is ε 1/2 and the thickness direction of the first metal layer In consideration of the angle θ between the incident light (wavelength λi) and G, it has been found that G has the relationship of the equation (7) already described.

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦220[nm]・λi/785[nm] ・・・(7)
[式(7)中、εは、第1金属層の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、λiは、入射光の波長[nm]を表す。]
なお、本実験例は、上述の(III−i)に対応する。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <= 220 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (7)
[In the formula (7), ε is the dielectric constant of the periphery of the first metal layer, θ is the irradiation angle of incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, λi is the incident light Represents a wavelength [nm]. ]
The present experimental example corresponds to the above (III-i).

4.4.実験例4<1ライン⊥モデル>
図23及び図24は、1ライン⊥モデルのニアフィールド特性のギャップG依存性を示すグラフである。図23(a)はX180Y600_AG_100D20T@640nmモデルのSQRTのG依存性を示し、図23(b)は、X180Y600_AU_100D20T@640nmモデルのSQRTのG依存性を示し、図24(b)は、X180Y780_AU_140D20T@785nmモデルのSQRTのG依存性を示す。また、図24(a)は、X180Y780_AG_140D20T@785nmモデルのSQRTのG依存性を示す。
4.4. Experimental example 4 <one-line wedge model>
FIGS. 23 and 24 are graphs showing the gap G dependency of the near-field characteristic of the one-line ⊥ model. Fig.23 (a) shows G dependence of SQRT of X180Y600_AG_100D20T @ 640nm model, FIG.23 (b) shows G dependence of SQRT of X180Y600_AU_100D20T @ 640nm model, FIG.24 (b) shows X180Y780_AU_140D20T @ 785nm model Shows the G dependence of SQRT. Further, FIG. 24A shows the G dependency of SQRT of the X180Y780_AG_140D20T @ 785 nm model.

X180Y600モデルの場合、第2金属層のトップ、ボトム共に短波長側のピーク(640nm)は、AGの場合20nm<G≦220nm〜240nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。また、AUの場合には、20nm<G≦240nm〜270nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。   In the case of the X180Y600 model, the peak (640 nm) on the short wavelength side of both the top and bottom of the second metal layer has a higher enhancement (SQRT) at 20 nm <G ≦ 220 nm to 240 nm for AG than in the case of G = 20 nm. It turned out that it can be obtained. Moreover, in the case of AU, it turned out that a higher degree of enhancement (SQRT) is obtained at 20 nm <G ≦ 240 nm to 270 nm than in the case of G = 20 nm.

X180Y780モデルの場合、第2金属層のトップ、ボトム共に短波長側のピーク(640nm)は、AGの場合20nm<G≦290nm〜310nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。また、AUの場合には、20nm<G≦270nm〜290nmにおいて、G=20nmの場合よりも高い増強度(SQRT)が得られることが分かった。   In the case of the X180Y780 model, the peak (640 nm) on the short wavelength side of both the top and bottom of the second metal layer has a higher enhancement (SQRT) at 20 nm <G ≦ 290 nm to 310 nm for AG than at G = 20 nm. It turned out that it can be obtained. In addition, in the case of AU, it was found that at 20 nm <G ≦ 270 nm to 290 nm, a higher degree of enhancement (SQRT) is obtained than in the case of G = 20 nm.

これらのことから実験例1で述べたと同様に、Gの上限は、270×633/785=217より、励起波長にほぼ比例することが分かった。   From these facts, it was found that the upper limit of G is approximately proportional to the excitation wavelength according to 270 × 633/785 = 217, as described in Experimental Example 1.

また、本実験例においても、環境を空気層又は真空を想定して、n1=1としたが、水溶液など周辺誘電率がε1/2の場合、並びに、第1金属層の厚さ方向と入射光(波長λi)のなす角度θを考慮すると、Gは、既に述べた式(3)の関係となることが分かった。 Also in the present experimental example, assuming that the environment is an air layer or vacuum, n 1 = 1 but the peripheral dielectric constant such as aqueous solution is ε 1/2 and the thickness direction of the first metal layer In consideration of the angle θ between the incident light (wavelength λi) and G, it has been found that G has the relationship of the equation (3) already described.

20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm] ・・・(3)
[式(3)中、εは、第1金属層の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、λiは、入射光の波長[nm]を表す。]
ここで、PMMA基板を屈折率n=1の空気基板としたところ、反射率スペクトルのピークは1ピークになり、PMMA基板では、635nmでSQRTが53であったのに対し、空気基板では、620nmでSQRTが66と増強度が増加した。
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
[In the formula (3), ε is the dielectric constant of the periphery of the first metal layer, θ is the irradiation angle of incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer, λi is the incident light Represents a wavelength [nm]. ]
Here, when the PMMA substrate is an air substrate with a refractive index n = 1, the peak of the reflectance spectrum is 1 peak, and in the PMMA substrate, SQRT is 53 at 635 nm, while in the air substrate, 620 nm. SQRT increased with 66 and increased.

なお、本実験例は、上述の(II−i)に対応する。   This experimental example corresponds to the above (II-i).

4.5.実験例5<1ライン⊥モデル及びHybridモデルにおける貫通モデル及び非貫通モデル>
図25には、貫通モデル及び非貫通モデルの模式図を示した。図26は、貫通モデル(図中「Bump1」と表記)と非貫通モデル(図中「Bump2」と表記)のSQRTとPSP=Ez(0,0.15,0)z=200nmの波長特性を示す。
4.5. Experimental example 5 <penetration model and non-penetration model in one-line wedge model and hybrid model>
FIG. 25 shows a schematic view of the penetration model and the non-penetration model. FIG. 26 shows SQRT and PSP = Ez (0,0.15,0) z = 200 nm wavelength characteristics of the penetration model (denoted as “Bump1” in the figure) and the non-penetration model (denoted as “Bump2” in the figure). Show.

図26をみると、貫通モデルと非貫通モデルとは、波長特性のプロファイルの形状にはほぼ差が無いが、若干非貫通モデルの増強度が高くなることが分かった。しかもY方向のPSPの強度Ez(0,0.15,0)z=200nmがそのままSQRTの増強度に比例することも分かった。この結果は、Hybridモデル及び1ライン‖モデルとは異なっている。1ライン⊥モデルは、第2金属層の中央部分でPSPが最小となる「閉じこめられたPSP」を活用するモードとなっていると考えられる。   It can be seen from FIG. 26 that although the penetration model and the non-penetration model have almost no difference in the shape of the profile of the wavelength characteristic, the degree of enhancement of the non-penetration model is slightly high. Furthermore, it was also found that the intensity Ez (0,0.15,0) z = 200 nm of PSP in the Y direction is directly proportional to the degree of enhancement of SQRT. This result is different from the Hybrid model and the one-line ‖ model. The one-line ⊥ model is considered to be a mode that utilizes a “confined PSP” in which the PSP is minimized at the central portion of the second metal layer.

次にHybridモデルにおいて、貫通モデル及び非貫通モデルの波長特性を比較した。図27及び図28は、貫通モデル(Bump1)と非貫通モデル(Bump2)のSQRTの波長特性を示すグラフである。図27は、X600Y600_120D20T_AG_100Gに関し、図28はX780Y780_160D20T_AG_160Gに関する。   Next, in the Hybrid model, the wavelength characteristics of the through model and the non-through model were compared. FIG. 27 and FIG. 28 are graphs showing the wavelength characteristics of SQRT of the penetration model (Bump1) and the non-penetration model (Bump2). FIG. 27 relates to X600Y600_120D20T_AG_100G, and FIG. 28 relates to X780Y780_160D20T_AG_160G.

X600Y600_120D20T_AG_100Gモデルでは、620nmにおけるSQRTは、貫通モデルのほうが非貫通モデルよりも大きかった(Bump1>Bump2)が、FWHM(半値幅)は、明らかにその逆(Bump1<Bump2)であった。また、X780Y780_160D20T_AG_160Gモデルでは、760nmでのSQRTは、貫通モデルのほうが非貫通モデルよりも小さかった(Bump1<Bump2)。   In the X600Y600_120D20T_AG_100G model, the SQRT at 620 nm was larger in the penetration model than in the non-penetration model (Bump1> Bump2), but the FWHM (half bandwidth) was clearly the reverse (Bump1 <Bump2). Moreover, in the X780Y780_160D20T_AG_160G model, the SQRT at 760 nm was smaller in the penetration model than in the non-penetration model (Bump1 <Bump2).

これらのことから、結論として、非貫通モデル(Bump2)は、長波長側のピーク強度を減少させた結果、短波長側のピーク強度を高くするか、半値幅を広げる効果があるということができる。非貫通モデルには、第1金属層に孔がなく、LSPのミラーリングの効果があると思われる。   From these results, it can be concluded that the non-penetration model (Bump 2) has the effect of increasing the peak intensity on the short wavelength side or widening the half width as a result of reducing the peak intensity on the long wavelength side . In the non-penetration model, there is no hole in the first metal layer, and it seems that LSP mirroring is effective.

4.6.実験例6<本発明に係る1ラインPSP⊥LSPモデルの、Y方向のピッチ(P2)依存性>
80D20T60GのAg(第2金属層30)を、X方向に120nmピッチ、Y方向にそれぞれ300nm、400nm、500nm、600nm、及び700nmピッチで配置したモデルについて、ファーフィールド特性を調べた。
4.6. Experimental Example 6 <Pitch (P2) Dependence in Y Direction of One-Line PSP / LSP Model According to the Present Invention>
The far-field characteristics were examined for a model in which 80D20T60G of Ag (second metal layer 30) was disposed at a pitch of 120 nm in the X direction and at a pitch of 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, and 700 nm in the Y direction.

図29は、各モデルの単位面積あたりで規格化した反射率の波長特性を示すグラフである。係るグラフは、本発明に係る1ラインPSP⊥LSPモデルでX方向のピッチを120nmとし、Y方向のピッチを変数としたときの反射率特性を示している。なお、反射率は低い方が、増強度が高いといえる。   FIG. 29 is a graph showing the wavelength characteristic of reflectance normalized per unit area of each model. The graph shows reflectance characteristics when the pitch in the X direction is 120 nm and the pitch in the Y direction is a variable in the one-line PSP / LSP model according to the present invention. The lower the reflectance, the higher the degree of enhancement.

非特許文献1(OPTICS LETTERS,Vol.34,No.3,2009,244-246)で開示されていることと同様に、PSPとLSPの交点付近、Y=400nmピッチから700nmピッチで高い増強度が期待できることが分かる。更にY方向のピッチが500nmと600nmで、最も低い反射率が観測された。   Similar to what is disclosed in Non-Patent Document 1 (OPTICS LETTERS, Vol. 34, No. 3, 2009, 244-246), high enhancement at Y = 400 nm pitch to 700 nm pitch near the intersection of PSP and LSP Can be expected. Furthermore, the lowest reflectance was observed at pitches of 500 nm and 600 nm in the Y direction.

図30には、Agのn=1のPSP分散関係を破線で、AgモデルのLSPを直線で示した。図30は、周辺屈折率n=1のAgの分散関係に、図29のグラフから読取られた反射率の極小値を示す波長をY方向のピッチ毎にプロットした分散関係を示している。図30の分散関係から、LSPピーク波長は608nmと推定された。SPP Ag n=1に近いプロットは、Ag膜下のPSPと考えられる。   In FIG. 30, the n = 1 PSP dispersion relation of Ag is indicated by a broken line, and the LSP of the Ag model is indicated by a straight line. FIG. 30 shows a dispersion relation in which the wavelength indicating the local minimum value of the reflectance read from the graph of FIG. 29 is plotted for each pitch in the Y direction as the dispersion relation of Ag of peripheral refractive index n = 1. From the dispersion relation of FIG. 30, the LSP peak wavelength was estimated to be 608 nm. A plot close to SPP Ag n = 1 is considered as PSP under Ag film.

そこで、励起波長を608nmとし、80D20T60Gの形状を有するAg(第2金属層)を、X方向の120nmピッチを固定し、Y方向のピッチを200nmから900nmの範囲で100nm刻みで変化させた場合のニアフィールド特性、及び、ラマン増強度(Raman EF)を取得した。その結果を、図31に示す。図31(a)は、励起波長を608nmとしたときのY方向のピッチを、ベーシックモデルであるY=120nmから、徐々に大きくしていった時のSQRT(Ex2+Ez2)をプロットしたものである。図31(b)は、励起波長を608nmとしたときのY方向のピッチを、ベーシックモデルであるY=120nmから、徐々に大きくしていった時のRaman EFをプロットしたものである。 Therefore, the excitation wavelength is 608 nm, Ag (second metal layer) having a shape of 80D20T60G is fixed at 120 nm pitch in the X direction, and pitch in the Y direction is changed in 100 nm steps in the range of 200 nm to 900 nm. Near field characteristics and Raman enhancement (Raman EF) were obtained. The results are shown in FIG. FIG. 31 (a) is a plot of SQRT (Ex 2 + Ez 2 ) when the pitch in the Y direction when the excitation wavelength is 608 nm is gradually increased from the basic model Y = 120 nm. It is. FIG. 31 (b) is a plot of Raman EF when the pitch in the Y direction when the excitation wavelength is 608 nm is gradually increased from the basic model Y = 120 nm.

X120Y120のベーシック構造では、Ag(第2金属層30)のトップ端で、増強度SQRT(Ex2+Ez2)=17.9であるのに対し、Y方向のピッチを広げると、増強度は直線的に増加し、Ag(第2金属層30)のLSPのピーク波長とAg層(第1金属層10)のPSPとの交点を通るように設計されたYピッチ=600nmでほぼ最大となり、Yピッチ=700nmで半減し、その後徐々に上昇することがわかる。このようなピッチ依存性を示す理由はY方向のピッチ=600nmが、回折格子のm=1の場合であり、m=2の場合が、Y方向のピッチ=1200nmであるからである。 In the basic structure of X120Y120, the enhancement is SQRT (Ex 2 + Ez 2 ) = 17.9 at the top end of Ag (the second metal layer 30), whereas when the pitch in the Y direction is extended, the enhancement is linear Of the peak wavelength of the LSP of Ag (the second metal layer 30) and the PSP of the Ag layer (the first metal layer 10). It turns out that it is halved at pitch = 700 nm and then rises gradually. The reason for showing such pitch dependency is that the pitch in the Y direction = 600 nm is the case of m = 1 of the diffraction grating, and the case of m = 2 is the pitch in the Y direction = 1200 nm.

PSP⊥LSP1ラインモデルが、P2>120nmの場合に、P1=P2=120nmの場合よりも、増強度が大きくなる理由は、LSPが励起光の偏向方向に生じ、PSPが全方位に発生するためであり、Y方向のピッチが、600nmより短い場合でも、ピッチが600nmとなる斜めに生じたPSPがLSPとハイブリッド効果を示しているからである。   The reason why the degree of enhancement is larger when the PSP⊥LSP1 line model is P2> 120 nm than when P1 = P2 = 120 nm is that LSP occurs in the deflection direction of the excitation light and PSP occurs in all directions. This is because even when the pitch in the Y direction is shorter than 600 nm, diagonally generated PSPs having a pitch of 600 nm exhibit a hybrid effect with LSP.

以上のことから、垂直入射の場合はP1=120nmのとき、図31(a)より、120nm<P2<900nm、好ましくは120nm<P2<800nm、より好ましくは200nm<P2<700nmにおいて、SQRTが、ベーシックモデルよりも大きくなることが判明した。また、垂直入射の場合はP1=120nmのとき、図31(b)より、120nm<P2<800nm、好ましくは120nm<P2<700nmにおいて、Raman EFが、ベーシックモデルよりも大きくなることが判明した。つまり、P1<P2≦Q+P1とすれば、高い増強度を得ることができることが分った。   From the above, in the case of P1 = 120 nm in the case of normal incidence, according to FIG. 31 (a), SQRT is obtained at 120 nm <P2 <900 nm, preferably 120 nm <P2 <800 nm, more preferably 200 nm <P2 <700 nm. It turned out to be larger than the basic model. Further, in the case of P1 = 120 nm in the case of normal incidence, it was found from FIG. 31 (b) that Raman EF becomes larger than the basic model at 120 nm <P2 <800 nm, preferably 120 nm <P2 <700 nm. That is, it was found that a high degree of enhancement can be obtained if P1 <P2 ≦ Q + P1.

なお、以上の実験は入射光が、基板に対して垂直に入射した場合である。以下、入射光
が、基板に対して斜めに入射した場合について述べる。
The above experiment is the case where the incident light is perpendicularly incident on the substrate. Hereinafter, the case where incident light is obliquely incident on the substrate will be described.

「1.4.1.伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン」の項で述べたように、ある金属の分散関係式は金属の誘電率をε(ω)、周辺の誘電率をεとしたとき、
SPP=ω/c[ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))]1/2 ・・・(8)
で与えられる。
As described in the section “1.4.1. Propagation-type plasmons and localized-type plasmons”, the dispersion relation equation of a metal is ε (ω) for a metal and ε for a surrounding dielectric. ,
K SPP = ω / c [ε · ε (ω) / (ε + ε (ω))] 1/2 (8)
Given by

一方、回折格子ピッチQを通過するエバネッセント光の波数Kは、
K=n1・(ω/c)・sinθ+m・2π/Q (m=±1,±2,,) ・・・(9)
但し、n1は、第1金属層10の上面側の周辺の屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率εの実数部ε’と虚数部ε”は、それぞれ、ε’=n1 2−κ2、ε”=2n1κで与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ〜0であるから、εは実数で、ε=n1 2となり、n1=ε1/2で与えられる。
On the other hand, the wave number K of the evanescent light passing through the grating pitch Q is
K = n 1 · (ω / c) · sin θ + m · 2π / Q (m = ± 1, ± 2,,) (9)
Where n 1 is the refractive index of the periphery on the upper surface side of the first metal layer 10, and if the extinction coefficient is κ, the real part ε ′ and the imaginary part ε ′ ′ of the relative dielectric constant ε at the frequency of light are , respectively, ε '= n 1 2 -κ 2, given by ε "= 2n 1 κ, if the periphery of substances transparent, because it is Kappa~0, epsilon is a real number, epsilon = n 1 2 next , N 1 = ε 1/2 .

金属の分散関係の波数と入射波のエバネッセント波の波数が等しくなると伝搬型プラズモンが生じる。つまり、KSPP=Kなので、(8)式と(9)式から
(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)
が成り立つピッチQとなるように第2金属層を配置すると伝搬型プラズモンが励起される。
When the wave number of the dispersion relation of the metal and the wave number of the evanescent wave of the incident wave become equal, a propagation type plasmon is generated. That is, since K SPP = K, from the equations (8) and (9), (ω / c) · {ε · ε (ω) / (ε + ε (ω))} 1/2 = ε 1/2 · (ω / C) · sin θ + 2 mπ / Q (m = ± 1, ± 2,,) (2)
When the second metal layer is arranged such that the pitch Q is satisfied, the propagating plasmon is excited.

式(2)が第1金属層の伝搬型プラズモンの分散関係と直接又は間接的に周期的に配置された第2金属層がもたらす回折格子効果によるエバネッセント光との交点を示す一般式である。なお、シミュレーションに用いた垂直入射の時は、θ=0であるので上記(2)式は、
(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(14)
となり、金属層の分散関係と第2金属層がもたらす回折格子効果によるエバネッセント光との波数が一致する回折格子波数はm・2π/Qとなる。
Expression (2) is a general expression showing the intersection point of the dispersion relation of the propagation type plasmon of the first metal layer and the evanescent light due to the diffraction grating effect brought about by the second metal layer periodically arranged directly or indirectly. At the time of normal incidence used in the simulation, since θ = 0, the above equation (2) is
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.))} 1/2 = 2 m.pi./Q (m =. ± .1,. ± .2,...) (14)
The diffraction grating wave number at which the dispersion relation of the metal layer and the wave number of the evanescent light due to the diffraction grating effect brought about by the second metal layer coincide is m · 2π / Q.

例えば、m=1、ε1/2=1で、30度入射の場合、式(14)は、
K=0.5・(ω/c)+2π/Q・・・(15)
となり、LSP=633nmでAg分散関係との交点を通る30度入射の場合の回折格子ピッチは1eV/cとなり、回折格子ピッチQを1250nmとすればよい。
For example, in the case of 30 degrees incidence with m = 1, ε 1/2 = 1, equation (14) is
K = 0.5 · (ω / c) + 2π / Q (15)
The grating pitch in the case of 30 ° incidence at LSP = 633 nm passing through the intersection with the Ag dispersion relationship is 1 eV / c, and the grating pitch Q may be 1250 nm.

また、一方、θ=−30°(deg.)とすると、式(14)は、
K=−0.5・(ω/c)+2π/Q・・・(16)
となり、LSPとAg(n=1)の分散関係の交点を通るには、2π/Q=3eV/cつまり、Q=418nmとなる。
Also, assuming that θ = −30 ° (deg.), Equation (14) gives
K = −0.5 · (ω / c) + 2π / Q (16)
Thus, 2π / Q = 3 eV / c, that is, Q = 418 nm, is required to pass through the intersection point of LSP and the dispersion relation of Ag (n = 1).

図32には、上述の30度及び−30度入射の励起光で回折格子ピッチを決めるための分散関係を示す。   FIG. 32 shows the dispersion relationship for determining the grating pitch with the above-described excitation light of 30 degrees and -30 degrees.

+30度入射も−30度入射も、物理的には同じことであるため、入射角度が+30度の斜め入射光を用いた場合には、633nmLSPと、Ag(ε1/2=1)の分散関係の交点を通るように回折格子のピッチを選択すると、回折格子ピッチは、Q=1250nm、418nmとする2つの方法があることが分かる。 Since both + 30 ° incidence and −30 ° incidence are physically the same, when obliquely incident light with an incidence angle of + 30 ° is used, the dispersion of 633 nm LSP and Ag (ε 1/2 = 1) If we choose the grating pitch to pass through the intersection point of the relationship, we can see that there are two ways to make the grating pitch Q = 1250 nm, 418 nm.

結論として、斜め入射の場合にも、垂直入射の場合と同様に、
P1<P2≦Q+P1 ・・・(1)
の関係を満たせば、ベーシックモデルよりも、増強度の大きい電場増強素子となることが分かる。
In conclusion, in the case of oblique incidence, as in the case of normal incidence,
P1 <P2 ≦ Q + P1 (1)
It can be seen that the electric field enhancing element with a greater degree of enhancement is obtained than the basic model if

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 embodiments described above, and various modifications are possible. For example, the invention includes configurations substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations having the same function, method and result, or configurations having the same purpose and effect). The present invention also includes configurations in which nonessential parts of the configurations described in the embodiments are replaced. The present invention also includes configurations that can achieve the same effects or the same objects as the configurations described in the embodiments. Further, the present invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1…基板、10…第1金属層、20…誘電体柱、30…第2金属層、31…第1金属列、32…第2金属列、100,200,250…電場増強素子、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 ... 1st metal layer, 20 ... dielectric material column, 30 ... 2nd metal layer, 31 ... 1st metal row, 32 ... 2nd metal row, 100, 200, 250 ... electric field enhancing element, 300 ... Light source, 400: detector, 1000: analyzer, 2000: electronic device, 2010: arithmetic unit, 2020: storage unit, 2030: display unit

Claims (4)

基板と、前記基板上に形成された第1金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第1金属層と電気的に絶縁された第2金属層と、を含み、前記第2金属層は、第1方向に、第1ピッチP1で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第1方向と交差する第2方向に第2ピッチP2で並んで配置されている、電場増強素子と、
前記電場増強素子に、前記第1方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記電場増強素子の前記第2金属層の配置は、下記式(5)の関係を満たし、
P1<P2≦Q+P1 かつ 120[nm]≦P1≦180[nm」 かつ P2<900[nm]・・・(5)
[ここで、Qは、下記式(2)で与えられる回析格子のピッチを表す。
(ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,) ・・・(2)]
前記第1金属層と前記第2金属層との間の距離G[nm]は、下記式(3)の関係を満たす、分析装置。
20[nm]<G・ε1/2・cosθ≦270[nm]・λi/785[nm]・・・(3)
[上記各式中、ωは、前記第2金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε(ω)は、前記第1金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第1金属層に光学的に接する媒体の誘電率、cは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第1金属層の厚さ方向からの傾斜角、λiは、前記入射光の波長[nm]を表す。]
A substrate, a first metal layer formed on the substrate, a dielectric column formed above the substrate, and a dielectric layer formed on the dielectric column and electrically insulated from the first metal layer A plurality of metal layers are included, and the plurality of second metal layers are arranged side by side at a first pitch P1 in the first direction to form a metal row, and the metal rows are arranged in a second direction intersecting the first direction An electric field enhancing element disposed side by side at the second pitch P2;
A light source for irradiating the electric field enhancing element with incident light of linearly polarized light in the first direction;
A detector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
Equipped with
The arrangement of the second metal layer of the electric field enhancing element satisfies the relationship of the following formula (5),
P1 <P2 ≦ Q + P1 and 120 [nm] ≦ P1 ≦ 180 [nm] and P2 <900 [nm] (5)
[Here, Q represents the pitch of the diffraction grating given by the following formula (2).
(.Omega. / C). {. Epsilon..epsilon. (. Omega.) / (. Epsilon. +. Epsilon. (. Omega.)) 1/2 = .epsilon.1 / 2 (.omega. / C) .sin .theta. + 2 m.pi./Q (m = 1,2,2,) ... (2)]
The analyzer whose distance G [nm] between the said 1st metal layer and the said 2nd metal layer satisfy | fills the relationship of following formula (3).
20 [nm] <G. [epsilon] 1 / 2.cos [theta] <270 [nm]. [Lambda] i / 785 [nm] (3)
[In the above formulas, ω is the angular frequency of the localized plasmon excited in the row of the second metal layer, ε (ω) is the dielectric constant of the metal constituting the first metal layer, ε is The dielectric constant of the medium optically contacting the first metal layer, c is the speed of light in vacuum, θ is the irradiation angle of the incident light, and the inclination angle from the thickness direction of the first metal layer λ i represents the wavelength [nm] of the incident light. ]
請求項において、
前記検出器は、前記電場増強素子によって増強されたラマン散乱光を検出する、分析装置。
In claim 1 ,
The detector detects Raman scattered light enhanced by the electric field enhancing element.
請求項1又は請求項に記載の分析装置と、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、を備えた電子機器。 The analysis device according to claim 1 or 2 , a calculation unit that calculates health care information based on detection information from the detector, a storage unit that stores the health care information, and the health care information. An electronic device comprising a display unit to display. 請求項において、前記健康医療情報は、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、電子機器。 In Claim 3 , said health care information is at least one selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens and antibodies, at least one biological substance, or at least one selected from inorganic molecules and organic molecules. Electronic device containing information on the presence or absence or amount of one compound.
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