2015 Fiscal Year Research-status Report
ギャッププラズモンによる光の回折限界を超える超微細パターニング技術の開発
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15K13266
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
久保 若奈 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10455339)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズモン / 微細加工 / プラズモン増強場 / パターニング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はプラズモニック・メタマテリアルの近接場効果によって、光の回折限界を超える新規パターニング技術の開発を試みた。プラズモニックギャップ構造の近接増強場を利用して、本来は紫外線しか吸収しない紫外硬化樹脂を、可視光照射下でギャップ間に生じた増強場効果によって数nm程度の領域で硬化させ、パターニングを行うことを検討した。可視光照射下でこれが実現できれば、光の回折限界を超えた超微細パターニング技術を実現できる。
可視光照射下における紫外硬化樹脂の硬化プロセスとして、（1）プラズモン増強場が誘起する多重励起プロセスによる樹脂硬化、そして（2）プラズモニック構造体中に生成したホットエレクトロン注入による硬化、の二つの可能性が考えられた。そこで実際にナノギャップ構造を電子線描画法で作製し、紫外硬化樹脂を塗布して可視光を照射したが、当初は想定する結果が得られなかった。
プラズモニック構造体と硬化する樹脂の相性、つまり接触親和性や硬化反応における金属の物理的役割など、材料の問題によって想定した反応が進行しない可能性もあると考え、プラズモニック構造体と組み合わせる材料の変更を試みた。関連研究では、プラズモニック構造体と半導体などとの組み合わせにより、紫外応答性の半導体の可視光応答化が報告されている。その関連研究を参考に、プラズモニック構造体と様々な半導体とを組み合わせて、化学・物理反応の進行を確かめることにした。
その結果、プラズモニック構造体と二酸化バナジウム(VO2)を組み合わせた系では、プラズモン共鳴により、VO2の相転移が明らかに低温度化する現象が確認された。電子注入により、またはプラズモン共鳴の局在熱効果によってVO2の物性を制御したと言える。この知見はパターニング技術には直接結びつかないが、その反応機構が当初想定していた可視光による紫外硬化樹脂の硬化反応に関連すると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
増強場を形成する金属ギャップ構造の作製を行った。電子線描画法によって、プラズモン透明化現象を発現するメタ３原子構造で、ギャップ幅28nmの微小な構造の作製に成功した。構造の作製後は光学特性を評価した。その結果、可視光域において、プラズモン透明化現象と思われる光学特性が観察された。仮に観察された光学特性がプラズモン誘起透明化現象と仮定すると、メタ原子構造のギャップ間にはかなり強い増強場が形成されていると推測できる。
そこで紫外硬化性樹脂の溶液をメタ原子構造に滴下して、波長400 nmよりも長波長の可視光を照射した。数時間に渡り照射をし続け、紫外硬化樹脂を洗い流してから電子顕微鏡で観察を行ったが、メタ原子構造のギャップ間に紫外硬化樹脂が硬化されている様子は確認できなかった。
期待した結果が得られなかった理由を考察した。まず、作製したメタ原子構造の応答特性が鮮明でなかったため、樹脂を硬化させるのに十分必要な増強場が形成されなかった可能性が考えられた。次に、メタ原子構造の応答波長約600 nmと、紫外硬化樹脂の硬化波長 365 nmとの間に乖離がある可能性も否めない。
一方、今回作製したメタ原子構造の光応答性と紫外硬化樹脂との相性が悪いために、想定した結果が得られていない可能性も考えられた。関連の報告では、プラズモニック構造体と半導体との組み合わせにより、様々な物理・化学反応が進行することが報告されている。それらの知見は、本研究が目指す微細パターニングプロセスにおいても重要な知見になると期待できる。そこで本研究においても、プラズモニック構造体と半導体を組み合わせて半導体の物理的特性に変化が現れるか検討を行った。その結果、VO2を用いた系では、プラズモン共鳴時にVO2の相転移温度が明かに低温度下する様子を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズモニックメタ３原子構造のギャップモードプラズモンによる、可視光照射下での紫外硬化樹脂の硬化反応促進の検討では、まず、メタ３原子構造の最適化を行う。具体的には、ギャップ間により強い増強場が形成されるような、構造の設計を行う。今回用いたプラズモン透明化現象をもたらすメタ３原子構造が不適切であれば、ボウタイ型やチェッカーボード型のギャップ構造への検討も行い、紫外硬化樹脂を硬化させるのに十分な増強場を形成できる構造の作製を急ぐ。またシミュレーションを利用して、実施に作製した構造でどの程度の増強場が形成されているか、見積もる。
次に、ギャップモードプラズモンの共鳴波長を、紫外硬化樹脂の光吸収波長の倍波に相当する波長域に調整する。調整には、基本的に構造体のサイズを変更して実現する。
一方、紫外硬化樹脂への工夫としては、今回用いた樹脂以外に、他の種類の硬化樹脂を用いる。候補材料は現在調査中であるが、硬化反応機構が異なる樹脂や吸収波長が異なるものもあるので、複数種使用する予定である。
また、反応機構の考察のために行った、プラズモニック構造体とVO2の組み合わせによる、VO2の相転移温度制御も興味深い結果であるため、検討を続ける予定である。プラズモン共鳴下における相転移温度の変化は、プラズモンによる局所熱の効果と、VO2へのホットエレクトロン注入プロセスが考えられる。仮にプラズモン共鳴下における相転移温度の制御機構が明らかにできればその知見を、プラズモニックギャップ構造による紫外硬化樹脂の可視光硬化反応に活用できると期待している。検討では、どのようなプロセスによってVO2の相転移温度が変化しているか、明らかにしていく予定である。最終的には、得られた知見を、プラズモニックギャップ構造による紫外硬化樹脂の、可視光照射硬化の検討に還元する。
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| Causes of Carryover |
申請者はH28.1月に異動し、所属機関が変更になった。科研費の移行手続きを行ったが、事務手続きの為にしばらく科研費を利用できず、科研費が使用可能になったのがH28.3月であった。年度末であり、予算を執行しても納期が間に合わなかったため、残額は次年度に繰り越すことにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H28年度に必要な消耗品を購入する。
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