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JP2014016221A - Optical field amplifying device and method of manufacturing the same - Google Patents

Optical field amplifying device and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2014016221A
JP2014016221A JP2012153213A JP2012153213A JP2014016221A JP 2014016221 A JP2014016221 A JP 2014016221A JP 2012153213 A JP2012153213 A JP 2012153213A JP 2012153213 A JP2012153213 A JP 2012153213A JP 2014016221 A JP2014016221 A JP 2014016221A
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metal
convex structure
structure layer
fine concavo
substrate
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JP2012153213A
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Inventor
Shogo Yamazoe
昇吾 山添
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Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】ラマン散乱光を高い感度で検可能な、耐久性に優れた光電場増強デバイスを得る。
【解決手段】樹脂基板11上に第1の金属またはその酸化物から成る薄膜20を形成し、この樹脂基板11上に形成された薄膜20を水熱反応させることにより、第1の金属の酸化物の水和物からなる微細凹凸構造層22を形成し、その微細凹凸構造層22の表面に第2の金属から成る金属微細凹凸構造層24を形成し、樹脂基板11を加熱収縮させることにより、金属微細凹凸構造層24の表面に亀裂30を生じさせる。
【選択図】図1A
A photoelectric field enhancement device with excellent durability capable of detecting Raman scattered light with high sensitivity is obtained.
A thin film 20 made of a first metal or an oxide thereof is formed on a resin substrate 11, and the thin film 20 formed on the resin substrate 11 is hydrothermally reacted to oxidize the first metal. By forming a fine concavo-convex structure layer 22 made of a hydrate of a product, forming a metal fine concavo-convex structure layer 24 made of a second metal on the surface of the fine concavo-convex structure layer 22, and shrinking the resin substrate 11 by heating Then, a crack 30 is generated on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24.
[Selection] Figure 1A

Description

本発明は、局在プラズモンを誘起しうる微細な金属凹凸構造を備えた光電場増強デバイスおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric field enhancement device having a fine metal concavo-convex structure capable of inducing localized plasmons and a method for manufacturing the same.

金属表面における局在プラズモン共鳴現象による電場増強効果を利用したセンサデバイスやラマン分光用デバイス等の電場増強デバイスが知られている。ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル(ラマンスペクトル)を得る方法であり、物質の同定等に利用されている。   There are known electric field enhancement devices such as a sensor device and a Raman spectroscopic device using an electric field enhancement effect by a localized plasmon resonance phenomenon on a metal surface. Raman spectroscopy is a method of obtaining a spectrum of Raman scattered light (Raman spectrum) by dispersing scattered light obtained by irradiating a substance with single wavelength light, and is used for identification of substances.

ラマン分光法には、微弱なラマン散乱光を増強するために、表面増強ラマン(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)と呼ばれる、局在プラズモン共鳴によって増強された光電場を利用したラマン分光法がある(非特許文献1参照)。これは、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による光電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるという原理を利用するものである。被検体を担持する担体(基板)として、表面に金属凹凸構造を備えた基板を用いることにより表面増強ラマン分光法を実施することができる。   In Raman spectroscopy, in order to enhance weak Raman scattered light, there is Raman spectroscopy using surface-enhanced Raman scattering (SERS: Surface Enhanced Raman Scattering), which uses a photoelectric field enhanced by localized plasmon resonance ( Non-patent document 1). This is because, when light is applied to a metal body, particularly a metal body having nano-order irregularities on the surface, the photoelectric field is enhanced by localized plasmon resonance, and the Raman of the sample in contact with the surface of the metal body is generated. This utilizes the principle that the scattered light intensity is enhanced. Surface-enhanced Raman spectroscopy can be carried out by using a substrate having a metal concavo-convex structure on the surface as a carrier (substrate) for supporting an object.

表面に金属微細凹凸構造を備えた基板としては、Si基板の表面に凹凸を設け、その凹凸面に金属膜を形成した基板が主に用いられている(特許文献1から3参照)。   As a substrate having a metal fine concavo-convex structure on its surface, a substrate in which concavo-convex is provided on the surface of an Si substrate and a metal film is formed on the concavo-convex surface is mainly used (see Patent Documents 1 to 3).

また、Al基板の表面を陽極酸化して一部を金属酸化物層(Al)とし、陽極酸化の過程で金属酸化物層内部に自然形成され、金属酸化物層の表面において開口した複数の微細孔内に、金属が充填された基板も提案されている(特許文献4参照)。 In addition, the surface of the Al substrate is anodized to form a part of the metal oxide layer (Al 2 O 3 ), which is naturally formed inside the metal oxide layer during the anodic oxidation process, and is opened on the surface of the metal oxide layer. A substrate in which a plurality of fine holes are filled with metal has also been proposed (see Patent Document 4).

さらには、透明基板の表面に、例えばベーマイトからなる透明な微細凹凸構造を備え、その上に金属膜を形成して、金属の微細凹凸構造を備えたデバイスも提案されている(特許文献5、6参照)。   Furthermore, a device having a transparent fine concavo-convex structure made of boehmite on the surface of a transparent substrate, a metal film formed thereon, and a fine concavo-convex structure of metal has also been proposed (Patent Document 5, 6).

一方、非特許文献2においては、脱合金反応により銀金の合金からなるナノポーラスフイルムを形成し、更にそのフイルムをポリスチレンフィルム上に配置し、加熱収縮することで、ナノポーラス構造より大きなしわ状の構造を作製している。ナノポーラスフイルムのみでも大きなラマンの増強効果があり、しわ状構造になることで表面積やホットスポット数の増加に更なるラマン信号強度の増強が可能となっている。   On the other hand, in Non-Patent Document 2, a nanoporous film made of an alloy of silver and gold is formed by a dealloying reaction, and the film is placed on a polystyrene film and heated and shrunk, whereby a wrinkled structure larger than the nanoporous structure is formed. Is making. The nanoporous film alone has a large Raman enhancement effect, and the wrinkle-like structure enables further enhancement of the Raman signal intensity to increase the surface area and the number of hot spots.

特表2006−514286号公報JP-T-2006-514286 特許第4347801号公報Japanese Patent No. 4347801 特開2006−145230号公報JP 2006-145230 A 特開2005−172569号公報JP 2005-172569 A 特開2012−63293号公報JP 2012-63293 A 特開2012−63294号公報JP 2012-63294 A

Optics Express Vol.17, No.21 18556Optics Express Vol.17, No.21 18556 Scientific Reports,1:112,DOI:10.1038/srep00112Scientific Reports, 1: 112, DOI: 10.1038 / srep00112

しかしながら、非特許文献2のように、基板とは別に金属のナノ構造体(ナノポーラスフィルム)を作製し、その後、ポリスチレンフィルムからなる基板上に構造体を配置する方法では、金属ナノ構造体のもろさから基板に配置するのが非常に困難であり、特には、大面積のデバイスを作製するのが困難となる。また、基板と金属ナノ構造体の密着性が悪いために、基板の収縮によりナノ構造体がしわ状になり、さらにそのしわ状の浮いた部分から剥がれ易く、耐久性が非常に低いという問題がある。   However, as described in Non-Patent Document 2, in a method in which a metal nanostructure (nanoporous film) is prepared separately from a substrate and then the structure is arranged on a substrate made of polystyrene film, the metal nanostructure is brittle. It is very difficult to arrange the device on the substrate, and in particular, it becomes difficult to manufacture a device having a large area. In addition, since the adhesion between the substrate and the metal nanostructure is poor, the nanostructure becomes wrinkled due to the shrinkage of the substrate, and it is easy to peel off from the wrinkled floating portion, and the durability is very low. is there.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐久性および増強度が高い光電場増強デバイスを低コストで作製する方法を提供するものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for producing a photoelectric field enhancement device having high durability and high strength at low cost.

本発明の光電場増強デバイスは、樹脂基板と、
樹脂基板上に形成され、金属酸化物の水和物からなる、微細凹凸構造を表面に有する微細凹凸構造層と、
微細凹凸構造層上に形成された、微細凹凸構造を表面に有する金属微細凹凸構造層とを備え、
金属微細凹凸構造層に亀裂を有することを特徴とする。
The photoelectric field enhancement device of the present invention comprises a resin substrate,
A fine concavo-convex structure layer having a fine concavo-convex structure formed on a resin substrate and made of a hydrate of a metal oxide on the surface;
A metal fine concavo-convex structure layer formed on the surface of the fine concavo-convex structure layer and having a fine concavo-convex structure on the surface;
The metal fine concavo-convex structure layer has a crack.

なお、ここで、金属微細凹凸構造層は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる微細凹凸構造を有するものである。なお、局在プラズモンを生じうる微細凹凸構造とは、一般に、凹凸構造をなす凸部および凹部の平均的な大きさと平均的なピッチが励起光の波長よりも小さい凹凸構造である。   Here, the metal fine concavo-convex structure layer has a fine concavo-convex structure that can generate localized plasmons when irradiated with excitation light. Note that the fine concavo-convex structure capable of generating localized plasmons is generally a concavo-convex structure in which the average size and average pitch of the convex portions and concave portions forming the concavo-convex structure are smaller than the wavelength of the excitation light.

特には、金属微細凹凸構造層の微細凹凸構造の平均的なピッチ(周期)が200nm以下であることが望ましい。   In particular, the average pitch (period) of the fine uneven structure of the metal fine uneven structure layer is desirably 200 nm or less.

また、部の頂点と凹部の底部間の距離(深さ)が200nm以下であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the distance (depth) between the vertex of a part and the bottom part of a recessed part is 200 nm or less.

凹凸の平均的なピッチは、SEM(走査型電子顕微鏡)で微細凹凸構造の表面画像を撮影し、画像処理をして2値化し、統計的処理によって求めるものとする。   The average pitch of the unevenness is obtained by taking a surface image of the fine unevenness structure with an SEM (scanning electron microscope), binarizing it by image processing, and obtaining it by statistical processing.

凹凸の平均的な深さは、AFM(原子間力顕微鏡)により表面形状を測定して統計的処理によって求めるものとする。   The average depth of the unevenness is determined by statistical processing by measuring the surface shape with an AFM (Atomic Force Microscope).

ここで、亀裂とは、金属微細凹凸構造層の連続性を断ち、部分的に金属微細凹凸構造層を分断するものである。亀裂の裂け目(隙間)は、通常1nm〜100μm(1nm以上100μm以下を以降、このように表記する。)の範囲であり、多くは場所によって異なっている。亀裂の間隔は、1nm〜10μmの範囲が好ましく、1nm〜1μmの範囲がより好ましく、1nm〜10nmの箇所が部分的に多数存在している状態や連続して存在している状態が最も好ましい。このような亀裂は1本でもよいが多数ある程好ましい。なお、亀裂により連続性が分断された金属微細凹凸構造層が、亀裂部分で一部重なり合うようになっていてもよい(図6B参照。)。   Here, the crack means that the continuity of the metal fine concavo-convex structure layer is broken and the metal fine concavo-convex structure layer is partially divided. The crack (gap) of the crack is usually in the range of 1 nm to 100 μm (hereinafter referred to as 1 nm or more and 100 μm or less in this manner), and many differ depending on the location. The interval between cracks is preferably in the range of 1 nm to 10 μm, more preferably in the range of 1 nm to 1 μm, and most preferably in a state where a large number of portions of 1 nm to 10 nm are partially present or continuously present. There may be one such crack, but a larger number is preferable. In addition, the metal fine concavo-convex structure layer in which the continuity is divided by the crack may partially overlap at the crack portion (see FIG. 6B).

金属酸化物の水和物がベーマイトまたはバイヤーライトであることが好ましい。   The metal oxide hydrate is preferably boehmite or Bayerlite.

金属微細凹凸構造層は、励起光の照射を受け局在プラズモンを生じ得る材料であればよいが、特には、金、銀、銅、アルミニウムまたはプラチナからなることが好ましい。   The metal fine concavo-convex structure layer may be any material that can generate localized plasmons upon irradiation with excitation light, but is particularly preferably made of gold, silver, copper, aluminum, or platinum.

本発明の光電場増強デバイスの製造方法は、樹脂基板上に、第1の金属もしくは該第1の金属の酸化物からなる薄膜を形成し、薄膜を水熱反応させることにより、第1の金属の酸化物の水和物からなる微細凹凸構造を表面に有する微細凹凸構造層を形成し、
微細凹凸構造層の表面に、第2の金属からなる表面に微細凹凸構造を有する金属微細凹凸構造層を形成し、
その後、基板を収縮させることにより金属微細凹凸構造層に亀裂を生じさせることを特徴とする。
In the method for producing a photoelectric field enhancing device of the present invention, a first metal is formed by forming a thin film made of a first metal or an oxide of the first metal on a resin substrate and subjecting the thin film to hydrothermal reaction. Forming a fine concavo-convex structure layer having a fine concavo-convex structure made of an oxide hydrate of
On the surface of the fine uneven structure layer, a metal fine uneven structure layer having a fine uneven structure on the surface made of the second metal is formed,
Thereafter, the substrate is contracted to cause cracks in the metal fine concavo-convex structure layer.

上記光電場増強デバイスの場合と同様に、金属微細凹凸構造層は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる微細凹凸構造を有するものであり、凹凸構造をなす凸部および凹部の平均的な大きさと平均的なピッチが励起光の波長よりも小さい凹凸構造である。   As in the case of the above photoelectric field enhancement device, the metal fine concavo-convex structure layer has a fine concavo-convex structure that can generate localized plasmons upon irradiation with excitation light, and the average of the convex and concave portions forming the concavo-convex structure. It is a concavo-convex structure in which the average size and the average pitch are smaller than the wavelength of the excitation light.

特には、金属微細凹凸構造層の微細凹凸構造の平均的なピッチ(周期)が200nm以下であることが望ましい。   In particular, the average pitch (period) of the fine uneven structure of the metal fine uneven structure layer is desirably 200 nm or less.

上記において、樹脂基板を加熱することにより、樹脂基板を収縮させることができる。   In the above, the resin substrate can be contracted by heating the resin substrate.

本発明の測定装置は、本発明の光電場増強デバイスと、
光電場増強デバイスに対して励起光を照射する励起光照射部と、
励起光の照射により生じた光を検出する光検出部とを備えたことを特徴とするものである。
The measuring apparatus of the present invention comprises the photoelectric field enhancing device of the present invention,
An excitation light irradiation unit for irradiating the photoelectric field enhancement device with excitation light;
And a light detection unit that detects light generated by the irradiation of excitation light.

本発明の光電場増強デバイスは、亀裂を有する金属微細凹凸構造に光が照射されると、金属微細凹凸構造表面に局在プラズモンを効果的に誘起することができ、この局在プラズモンによる光電場増強効果を生じさせることができる。このとき、金属微細凹凸構造層に亀裂を有しているので、金属微細凹凸構造層のみの場合と比較して高い増強度の光電場を生じさせることができる。   The photoelectric field enhancement device of the present invention can effectively induce localized plasmons on the surface of a metal fine concavo-convex structure when light is irradiated onto a cracked metal fine concavo-convex structure. An enhancement effect can be produced. At this time, since the metal fine concavo-convex structure layer has cracks, it is possible to generate a high-intensity photoelectric field as compared with the case of only the metal fine concavo-convex structure layer.

また、この光電場増強デバイス上に被検体を配置して、該被検体が配置された領域に光が照射されることにより被検体から生じる光は光電場増強効果により増強されたものとなり、高感度に光を検出することが可能となる。表面増強ラマン基板としても好適に用いることができ、ラマン信号を効果的に増強させることができ、高感度化を図ることができる。   In addition, by placing a subject on this photoelectric field enhancement device and irradiating the region where the subject is placed with light, the light generated from the subject is enhanced by the photoelectric field enhancement effect. It becomes possible to detect light with sensitivity. It can be suitably used as a surface-enhanced Raman substrate, the Raman signal can be effectively enhanced, and high sensitivity can be achieved.

本発明の光電場増強デバイスの製造方法によれば、樹脂基板上に微細凹凸構造層および金属微細凹凸構造層を備え、樹脂基板を収縮させるという簡単な方法で、金属微細凹凸構造層に亀裂を生じさせることができ、非常に高い増強度の光電場を生じさせる光電場増強デバイスを製造することができる。   According to the method for manufacturing a photoelectric field enhancing device of the present invention, a metal fine concavo-convex structure layer is cracked by a simple method of providing a fine concavo-convex structure layer and a metal fine concavo-convex structure layer on a resin substrate and shrinking the resin substrate. Photoelectric field enhancement devices that can be generated and produce a very high intensity photoelectric field can be produced.

また、樹脂基板上に直接微細凹凸構造層を形成し、さらに金属微細凹凸構造層を形成するので、予めナノ構造体を形成した後に、これを基板上に配置して基板を収縮させる場合と比較して、密着性に優れるため耐久性が高い。   Also, since the fine uneven structure layer is formed directly on the resin substrate, and further the metal fine uneven structure layer is formed, compared with the case where the nanostructure is formed in advance and then placed on the substrate to shrink the substrate And since it is excellent in adhesiveness, its durability is high.

このような非常に簡素な工程により光電場増強デバイスを得ることができるので、製造コストを抑えることができる。
また、製造方法におけるそれぞれの工程が、比較的大面積の基板や任意の形状を有する基板にも適応可能であり、大面積かつ任意形状の光電場増強デバイスが作製可能となる。
Since the photoelectric field enhancement device can be obtained by such a very simple process, the manufacturing cost can be suppressed.
In addition, each step in the manufacturing method can be applied to a substrate having a relatively large area or a substrate having an arbitrary shape, and a photoelectric field enhancing device having a large area and an arbitrary shape can be manufactured.

光電場増強デバイスの第1の実施形態に係る光電場増強基板1を示す斜視図The perspective view which shows the photoelectric field enhancement board | substrate 1 which concerns on 1st Embodiment of a photoelectric field enhancement device. 図1Aに示した光電場増強基板1の側面の一部IBの拡大図Enlarged view of a part IB of the side surface of the photoelectric field enhancement substrate 1 shown in FIG. 1A 光電場増強基板の作製工程を示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of a photoelectric field enhancement board | substrate 光電場増強基板1を備えた増強ラマン分光装置の構成を示す概略図Schematic diagram showing the configuration of an enhanced Raman spectroscopic device provided with a photoelectric field enhancing substrate 1 増強ラマン分光装置の設計変更例を示す概略図Schematic showing an example of design change of an enhanced Raman spectrometer ベーマイト層表面のSEM画像SEM image of boehmite layer surface 金属微細凹凸構造層表面のSEM画像SEM image of the surface of the metal fine relief structure layer 図6Aの一部を拡大撮影したSEM画像SEM image of the enlarged part of Fig. 6A 亀裂有、亀裂無基板を用いて得られたラマンスペクトル分布を示すグラフGraph showing Raman spectrum distribution obtained using a cracked and crack-free substrate

以下、図面を参照して本発明の光電場増強デバイスの製造方法の実施形態について説明する。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。   Hereinafter, an embodiment of a method for producing a photoelectric field enhancement device of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, for easy visual recognition, the scale of each component in the drawings is appropriately changed from the actual one.

図1Aは、本発明の光電場増強デバイスの実施形態に係る光電場増強基板1を示す斜視図であり、図1Bは、図1Aに示した光電場増強基板1の側面の一部IBの拡大図である。   FIG. 1A is a perspective view showing a photoelectric field enhancement substrate 1 according to an embodiment of the photoelectric field enhancement device of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a part IB of a side surface of the photoelectric field enhancement substrate 1 shown in FIG. 1A. FIG.

図1Aおよび図1Bに示すように、光電場増強基板1は、透明な樹脂基板10と、樹脂基板10上に形成された、表面に微細凹凸を備えた微細凹凸構造層22と、その微細凹凸構造層22の表面に形成された、表面に微細凹凸を備えた金属微細凹凸構造層24とからなり、さらに、金属微細凹凸構造層24の表面から微細凹凸構造層23を貫く亀裂30を有している。亀裂30の形成周期は金属微細凹凸構造層24等の微細凹凸周期よりも大きく、具体的には〜数十μmオーダーである。亀裂30の裂け目(隙間)は数nm〜数百μmであり、特には、10nm以下の部分が一部にでも含まれていることが好ましい。なお、亀裂の形成周期は、基板の面内の所定の一方向に存在する亀裂についての亀裂同士の平均ピッチとする。   As shown in FIG. 1A and FIG. 1B, the photoelectric field enhancement substrate 1 includes a transparent resin substrate 10, a fine concavo-convex structure layer 22 having fine undulations on the surface, and the fine concavo-convex structure formed on the resin substrate 10. It has a metal fine concavo-convex structure layer 24 formed on the surface of the structure layer 22 and having fine concavo-convex on the surface, and further has a crack 30 penetrating from the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24 through the fine concavo-convex structure layer 23. ing. The formation period of the cracks 30 is larger than the fine uneven period of the metal fine uneven structure layer 24 or the like, and is specifically on the order of tens of μm. The crack (gap) of the crack 30 is several nanometers to several hundred micrometers, and it is particularly preferable that a part of 10 nm or less is included in part. The crack formation period is the average pitch between cracks in a predetermined direction in the plane of the substrate.

光電場増強基板の製造方法については後述するが、亀裂30は、樹脂基板上に金属微細凹凸構造層を形成後に、樹脂基板を収縮させることにより生じたものであり、金属微細凹凸構造層に不規則に生じている。   Although the manufacturing method of the photoelectric field enhancing substrate will be described later, the crack 30 is generated by shrinking the resin substrate after forming the metal fine concavo-convex structure layer on the resin substrate. Has arisen in the rules.

この光電場増強基板1は、金属微細凹凸構造層24の表面に照射された光(以下において、励起光とする。)により、局在プラズモン共鳴が誘起され、この局在プラズモン共鳴により、金属微細凹凸構造層24の表面に増強された光電場を生じさせるものであり、さらに、金属微細凹凸構造層24に形成されている数nmの亀裂30に励起光が照射された場合、ホットスポットと呼ばれるより増強された光電場を生じさせるものである。なお、亀裂の裂け目がμmオーダーであっても、光電場増強効果を得ることができる。   In this photoelectric field enhancing substrate 1, localized plasmon resonance is induced by light (hereinafter referred to as excitation light) irradiated on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24. An enhanced photoelectric field is generated on the surface of the concavo-convex structure layer 24, and when excitation light is irradiated to the crack 30 of several nm formed in the metal fine concavo-convex structure layer 24, it is called a hot spot. It produces a more enhanced photoelectric field. Even if the crack is on the order of μm, the photoelectric field enhancement effect can be obtained.

樹脂基板1は、加熱による体積の収縮が大きいものが好ましい。特には、ポリスチレン等の透明プラスチック基板が好ましい。   The resin substrate 1 preferably has a large volume shrinkage due to heating. In particular, a transparent plastic substrate such as polystyrene is preferable.

微細凹凸構造層22は、金属酸化物の水和物(金属または金属酸化物の水酸化物)からなるものである。具体的には、アルミナ水和物が挙げられ、より詳細には、アルミナ1水和物であるベーマイト(Al23・H2OあるいはAlOOHと表記される。)、アルミナ3水和物(水酸化アルミニウム)であるバイヤーライト(Al23・3H2OあるいはAl(OH)3と表記される。)が挙げられる。 The fine concavo-convex structure layer 22 is made of a metal oxide hydrate (metal or metal oxide hydroxide). Specific examples include alumina hydrate. More specifically, alumina monohydrate boehmite (expressed as Al 2 O 3 .H 2 O or AlOOH), alumina trihydrate ( Bayerlite (expressed as Al 2 O 3 .3H 2 O or Al (OH) 3 ), which is aluminum hydroxide).

ベーマイト層などの金属酸化物の水和物からなる微細凹凸構造層22は、透明であり、かつ図1Bに示すように、大きさ(頂角の大きさ)や向きはさまざまであるが概ね鋸歯状の断面を有している。この微細凹凸構造層22の微細凹凸は、周期(平均ピッチ)および深さが励起光の波長より短く、この上に後述する金属微細凹凸構造層24が形成可能なものであればよい。励起光としては、通常可視光を用いる。なおここで、透明微細凹凸構造23において、ピッチは凹部を隔てた最隣接凸部の頂点同士の距離であり、深さは凸部頂点から隣接する凹部の底部までの距離である。   The fine concavo-convex structure layer 22 made of a metal oxide hydrate such as a boehmite layer is transparent, and as shown in FIG. 1B, although the size (vertical angle size) and direction are various, it is generally sawtooth. Has a cross-section. The fine unevenness of the fine uneven structure layer 22 is not limited as long as the period (average pitch) and depth are shorter than the wavelength of the excitation light, and the metal fine uneven structure layer 24 described later can be formed thereon. As the excitation light, visible light is usually used. Here, in the transparent fine concavo-convex structure 23, the pitch is the distance between the vertices of the nearest adjacent convex portions across the concave portion, and the depth is the distance from the convex vertex to the bottom of the adjacent concave portion.

金属微細凹凸構造層24の表面の微細凹凸は、励起光の照射を受けて表面に局在プラズモンを生じさせうる構造であり、周期(平均ピッチ)および深さが励起光の波長より短ければよい。微細凹凸の周期は数10nm〜数100nmオーダーであるが、特には、凸部頂点から隣接する凹部の底部までの平均深さが200nm以下、凹部を隔てた再隣接凸部の頂点同士の平均ピッチが200nm以下であることが望ましい。さらに、効率よく増強された光電場を生ぜしめる大きさであることが好ましく、10〜150nmであることが特に好ましい。   The fine unevenness on the surface of the metal fine unevenness structure layer 24 is a structure that can generate localized plasmons on the surface upon irradiation with excitation light, and the period (average pitch) and the depth should be shorter than the wavelength of the excitation light. . The period of the fine irregularities is on the order of several tens of nm to several hundreds of nm. In particular, the average depth from the apex of the convex part to the bottom of the adjacent concave part is 200 nm or less, and the average pitch between the apexes of the re-adjacent convex parts across the concave part Is preferably 200 nm or less. Furthermore, it is preferable that it is a magnitude | size which produces the enhanced electric field efficiently, and it is especially preferable that it is 10-150 nm.

金属微細凹凸構造層24を構成する金属は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じるものであればよいが、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、プラチナ(Pt)、またはこれらを主成分とする合金であることが好ましい。特には、AuあるいはAgがより好ましい。   The metal constituting the metal fine concavo-convex structure layer 24 may be any metal that generates localized plasmons when irradiated with excitation light. Gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al) Platinum (Pt) or an alloy containing these as a main component is preferable. In particular, Au or Ag is more preferable.

金属微細凹凸構造層24はその下地となる微細凹凸構造層22の微細凹凸に沿って略同一形状に形成されたものであってもよいし、微細凹凸構造層22の微細凹凸とは異なる形状であってもよい。周期や深さも互いに一致していなくてもよい。   The metal fine concavo-convex structure layer 24 may be formed in substantially the same shape along the fine concavo-convex structure of the fine concavo-convex structure layer 22 serving as the base, or in a shape different from the fine concavo-convex structure of the fine concavo-convex structure layer 22. There may be. The period and depth do not have to coincide with each other.

図2を用いて、本実施形態に係る光電場増強基板1の作製方法について説明する。
図2は、本発明の光電場増強デバイスの一実施形態に係る光電場増強基板の製造工程を示すものであり、工程毎の断面図である。
A method for producing the photoelectric field enhancement substrate 1 according to this embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view for each process, illustrating a process for manufacturing a photoelectric field enhancement substrate according to an embodiment of the photoelectric field enhancement device of the present invention.

板状の樹脂基板10を用意し、エタノールで洗浄する。その後、樹脂基板10の表面にEB(Electric Beam)蒸着法により第1の金属としてアルミニウム20を数十〜数百nm程度成膜する。その後、沸騰させた純水の中に、アルミニウム20付き基板10を浸水させ、数分〜1時間後に取出す。この煮沸処理(ベーマイト処理)により、アルミニウム20は透明化し、透明な微細凹凸構造を構成するベーマイト層22となる。次にこのベーマイト層22上に第2の金属を蒸着することで、ベーマイト層22の上にさらに、金属微細凹凸構造層24が形成される。次に、基板10を加熱し、収縮させることにより、ベーマイト層22および金属微細凹凸構造層24に亀裂30を生じさせる。一般に、樹脂基板を用いた場合、樹脂基板を加熱することにより、樹脂基板は収縮する。亀裂30は、この樹脂基板の収縮に伴い金属微細凹凸構造層24が圧縮されることにより生じる。   A plate-like resin substrate 10 is prepared and washed with ethanol. Thereafter, the aluminum 20 is deposited on the surface of the resin substrate 10 as a first metal by several tens to several hundreds of nanometers by EB (Electric Beam) vapor deposition. Thereafter, the substrate 10 with aluminum 20 is immersed in boiling pure water, and is taken out after several minutes to 1 hour. By this boiling treatment (boehmite treatment), the aluminum 20 becomes transparent and becomes a boehmite layer 22 constituting a transparent fine uneven structure. Next, a metal fine concavo-convex structure layer 24 is further formed on the boehmite layer 22 by depositing a second metal on the boehmite layer 22. Next, the substrate 10 is heated and contracted to cause cracks 30 in the boehmite layer 22 and the metal fine concavo-convex structure layer 24. In general, when a resin substrate is used, the resin substrate contracts by heating the resin substrate. The crack 30 is generated when the metal fine concavo-convex structure layer 24 is compressed as the resin substrate contracts.

以上の処理により、樹脂基板10上に微細凹凸構造層22および金属微細凹凸構造24が形成されてなる光電場増強基板1を作製することができる。   By the above process, the photoelectric field enhancing substrate 1 in which the fine uneven structure layer 22 and the metal fine uneven structure 24 are formed on the resin substrate 10 can be manufactured.

上記においては基板として板状の基板を用いるものとしたが、任意の形状の基板であっても本発明は適応可能である。   In the above description, a plate-shaped substrate is used as the substrate. However, the present invention can be applied to a substrate having an arbitrary shape.

微細凹凸構造層作製工程において水熱反応させる第1の金属としてはアルミニウムが挙げられるが、これに代えてアルミナ(Al23)のような金属酸化物を用いてもよい。アルミニウムおよびアルミナは、水熱反応させることにより、バイヤーライト(Al(OH)3)またはベーマイト(AlOOH)のいずれか、または両方からなる、複雑な三角錐構造を有する微細凹凸構造を基板上に形成することができる。 The first metal to be hydrothermally reacted in the fine concavo-convex structure layer manufacturing step includes aluminum, but a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) may be used instead. Aluminum and alumina form a fine concavo-convex structure with a complex triangular pyramid structure consisting of either buyer light (Al (OH) 3 ) or boehmite (AlOOH) or both by hydrothermal reaction on the substrate. can do.

上記製造工程においては、第1の金属としては、アルミニウムの他、チタン(Ti)など、同様に水熱反応により微細凹凸構造を形成する金属を用いることができる。また、第1の金属の代わりに第1の金属の酸化物(例えば、Al)を成膜してもよい。 In the manufacturing process, as the first metal, in addition to aluminum, a metal that forms a fine uneven structure by a hydrothermal reaction, such as titanium (Ti), can be used. Alternatively, a first metal oxide (eg, Al 2 O 3 ) may be formed instead of the first metal.

また、第1の金属あるいはその金属酸化物を基板10に成膜する方法は、スパッタ法に限らず、加熱蒸着法やゾルゲル法を用いてもよい。
水熱反応としては、煮沸処理に限らず、第1の金属が成膜された基板を高温の水蒸気に曝して第1の金属を高温の水蒸気と反応させる処理を行ってもよい。
Further, the method for forming the first metal or its metal oxide on the substrate 10 is not limited to the sputtering method, and a heating vapor deposition method or a sol-gel method may be used.
The hydrothermal reaction is not limited to boiling treatment, and the substrate on which the first metal is formed may be exposed to high-temperature water vapor so that the first metal reacts with high-temperature water vapor.

金属微細凹凸構造層24を構成する第2の金属は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる金属であればよいが、例えば、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、プラチナ(Pt)、またはこれらを主成分とする合金である。特には、AuあるいはAgが好ましい。   The second metal constituting the metal fine concavo-convex structure layer 24 may be any metal that can generate localized plasmons when irradiated with excitation light. For example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu ), Aluminum (Al), platinum (Pt), or an alloy containing these as a main component. In particular, Au or Ag is preferable.

上記本実施形態の光電場増強デバイスは、樹脂基板10としてプラスチックなどの透明樹脂基板を用い、バイヤーライト層またはベーマイト層などの透明な微細凹凸構造層22を備えているので、基板の表裏いずれから励起光を入射させても金属微細凹凸構造層24表面に光増強場を生じさせることができ、また、ラマン信号光などの信号光を基板の表裏いずれからでも検出することができる。ここで、透明とは、照射される光、および該光により被検体から生じる光に対し、透過率が50%以上であることをいうものとする。なお、これらの光に対して、透過率は75%以上、さらには90%以上であることが好ましい。   The photoelectric field enhancing device of the present embodiment uses a transparent resin substrate such as plastic as the resin substrate 10 and includes a transparent fine uneven structure layer 22 such as a buyer light layer or a boehmite layer. Even if excitation light is incident, a light enhancement field can be generated on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24, and signal light such as Raman signal light can be detected from either the front or back of the substrate. Here, the term “transparent” means that the transmittance is 50% or more with respect to the irradiated light and the light generated from the subject by the light. Note that the transmittance of these lights is preferably 75% or more, and more preferably 90% or more.

なお、上記実施形態において、第2の金属は一層のみとしているが2種類以上の金属を積層させてもよい。また、第2の金属上に誘電体を積層してもよい。
このように、2種類以上の金属を積層させたり、第2の金属上に誘電体を積層することにより、干渉効果や酸化防止効果を持たせることができる。すなわち、光学干渉による効果により、層構造の厚みが光のある位相と合致した場合、層構造に光が閉じ込められ、さらなる光電場増強効果を生じさせることができる。また、例えば、第2の金属として銀層を設け、その上に金層を積層することにより、銀の酸化を抑制することができる。
なお、第2の金属からなる金属微細凹凸構造層上に誘電体を積層する場合、誘電体の膜厚は50nm以下とすることが望ましい。例えば、金属微細構造層上にSiOを10nm積層する。
In the above embodiment, the second metal is only one layer, but two or more kinds of metals may be laminated. A dielectric may be laminated on the second metal.
Thus, by laminating two or more kinds of metals or laminating a dielectric on the second metal, it is possible to provide an interference effect and an antioxidant effect. That is, when the thickness of the layer structure matches the phase with light due to the effect of optical interference, the light is confined in the layer structure, and a further photoelectric field enhancement effect can be generated. Further, for example, by providing a silver layer as the second metal and laminating a gold layer thereon, oxidation of silver can be suppressed.
In addition, when laminating | stacking a dielectric material on the metal fine concavo-convex structure layer which consists of a 2nd metal, it is desirable that the film thickness of a dielectric material shall be 50 nm or less. For example, 10 nm of SiO 2 is laminated on the metal microstructure layer.

(ラマン分光法およびラマン分光装置)
以下に、上述の本発明の光電場増強基板1を用いた測定方法の例として、ラマン分光法およびラマン分光装置について説明する。
(Raman spectroscopy and Raman spectrometer)
Below, a Raman spectroscopy and a Raman spectroscopy apparatus are demonstrated as an example of the measuring method using the above-mentioned photoelectric field enhancement board | substrate 1 of this invention.

図3は、上述の実施形態に係る光電場増強基板1を備えた増強ラマン分光装置の構成を示す概略図である。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of an enhanced Raman spectroscopic device including the photoelectric field enhancing substrate 1 according to the above-described embodiment.

図3に示すように、ラマン分光装置100は、上述の光電場増強基板1と、励起光L1を光電場増強基板1へ照射する励起光照射部140と、被検体Sから発せられ光電場増強基板の作用により増強されたラマン散乱光L2を検出するための光検出部150とを備えている。   As shown in FIG. 3, the Raman spectroscopic device 100 includes the above-described photoelectric field enhancement substrate 1, the excitation light irradiation unit 140 that irradiates the photoelectric field enhancement substrate 1 with the excitation light L1, and the photoelectric field enhancement emitted from the subject S. And a light detection unit 150 for detecting Raman scattered light L2 enhanced by the action of the substrate.

励起光照射部140は、励起光L1を射出する半導体レーザ141と、この半導体レーザ141から射出された光L1を基板1側へ反射するミラー142と、該ミラー142により反射された励起光L1を透過し、該励起光L1の照射により被検体Sから生じ増強されたラマン散乱光L2を含む基板1側からの光を光検出部150側へ反射するハーフミラー144と、ハーフミラー144を透過した励起光L1を光電場増強基板1の被検体Sが載置された領域に集光するレンズ146とを備えている。   The excitation light irradiation unit 140 includes a semiconductor laser 141 that emits the excitation light L1, a mirror 142 that reflects the light L1 emitted from the semiconductor laser 141 toward the substrate 1, and the excitation light L1 reflected by the mirror 142. Transmitted through the half mirror 144 and the half mirror 144 that reflects light from the substrate 1 side including the enhanced Raman scattered light L2 generated from the subject S by irradiation of the excitation light L1 to the light detection unit 150 side And a lens 146 that condenses the excitation light L1 in a region of the photoelectric field enhancement substrate 1 on which the subject S is placed.

光検出部150は、ハーフミラー144により反射されてきた光のうち励起光L1を吸収し、それ以外の光を透過するノッチフィルタ151と、ノイズ光を除去するためのピンホール152を備えたピンホール板153と、被検体Sから発せられ、レンズ146およびノッチフィルタ151を透過した増強ラマン散乱光L2を、ピンホール152へ集光するためのレンズ154と、ピンホール152を通ったラマン散乱光を平行光化するレンズ156と、増強ラマン散乱光を検出する分光器158とを備えている。   The light detection unit 150 absorbs the excitation light L1 out of the light reflected by the half mirror 144 and transmits the other light, and a pin provided with a pinhole 152 for removing noise light. A lens 154 for condensing the enhanced Raman scattered light L2 emitted from the Hall plate 153, the subject S, and transmitted through the lens 146 and the notch filter 151 to the pinhole 152, and the Raman scattered light passing through the pinhole 152 Is provided with a lens 156 for collimating light and a spectroscope 158 for detecting enhanced Raman scattered light.

上述のラマン分光装置100を用いて、被検体Sのラマンスペクトルを測定するラマン分光方法について説明する。   A Raman spectroscopy method for measuring the Raman spectrum of the subject S using the above-described Raman spectrometer 100 will be described.

光照射部140の半導体レーザ141から励起光L1が射出され、励起光L1はミラー142で基板1側に反射され、ハーフミラー144を透過してレンズ146で集光されて、光電場増強基板1上に照射される。   Excitation light L1 is emitted from the semiconductor laser 141 of the light irradiation unit 140, the excitation light L1 is reflected to the substrate 1 side by the mirror 142, passes through the half mirror 144 and is collected by the lens 146, and the photoelectric field enhancement substrate 1 Irradiated on top.

励起光L1の照射により、光電場増強基板1の金属微細凹凸構造層24に局在プラズモン共鳴が誘起され、金属微細凹凸構造層24表面に増強された光電場が生じる。この増強光電場により増強された、被検体Sから発せられたラマン散乱光L2は、レンズ146を透過して、ハーフミラー144で分光器158側に反射される。なお、このとき、光電場増強基板1で反射された励起光L1もハーフミラー144により反射されて分光器158側に反射されるが、励起光L1はノッチフィルタ151でカットされる。一方、励起光とは波長が異なる光はノッチフィルタ151を透過し、レンズ154で集光され、ピンホール152を通り、再度レンズ156により平行光化され、分光器158へ入射する。なお、ラマン分光装置においては、レーリー散乱光(あるいはミー散乱光)などは、その波長が励起光L1と同じであるため、ノッチフィルタ151でカットされ、分光器158へ入射することはない。ラマン散乱光L2は、分光器158に入射してラマンスペクトル測定がなされる。   Irradiation with the excitation light L1 induces localized plasmon resonance in the metal fine concavo-convex structure layer 24 of the photoelectric field enhancing substrate 1, and an enhanced photoelectric field is generated on the surface of the metal fine concavo-convex structure layer 24. The Raman scattered light L2 emitted from the subject S enhanced by the enhanced photoelectric field passes through the lens 146 and is reflected by the half mirror 144 toward the spectroscope 158 side. At this time, the excitation light L1 reflected by the photoelectric field enhancement substrate 1 is also reflected by the half mirror 144 and reflected to the spectroscope 158 side, but the excitation light L1 is cut by the notch filter 151. On the other hand, light having a wavelength different from that of the excitation light passes through the notch filter 151, is condensed by the lens 154, passes through the pinhole 152, is collimated again by the lens 156, and enters the spectroscope 158. In the Raman spectroscopic device, the wavelength of Rayleigh scattered light (or Mie scattered light) is the same as that of the excitation light L 1, so that it is cut by the notch filter 151 and does not enter the spectroscope 158. The Raman scattered light L2 enters the spectroscope 158 and is subjected to Raman spectrum measurement.

本実施形態のラマン分光装置100は、上記実施形態の光電場増強基板1を用いて構成されたものであり、効果的にラマン増強が行われているのでデータ信頼性が高く、データ再現性が良好な高精度のラマン分光測定を実施できる。光電場増強基板1の表面凹凸構造の面内均一性が高いので、同一試料に対して、光照射箇所を変えて測定を実施しても、再現性のよいデータが得られる。したがって、同一試料に対して、光照射箇所を変えて複数のデータを取り、データの信頼性を上げることも可能である。   The Raman spectroscopic device 100 of the present embodiment is configured using the photoelectric field enhancement substrate 1 of the above embodiment, and since the Raman enhancement is effectively performed, the data reliability is high and the data reproducibility is high. Good high-precision Raman spectroscopic measurement can be performed. Since the in-plane uniformity of the surface concavo-convex structure of the photoelectric field enhancing substrate 1 is high, data with good reproducibility can be obtained even if the same sample is measured by changing the light irradiation location. Therefore, it is possible to take a plurality of data by changing the light irradiation location for the same sample, and to improve the reliability of the data.

本実施形態のラマン分光装置100のように、光電場増強基板1の裏面から検出する構成とすることにより、被検体が細胞のような大きなサンプルである場合に、金属微細凹凸構造層と被検体との界面で最も強く生じる増強ラマン散乱光が被検体自身により遮蔽されることなく透明基板の裏面側から検出することができる。なお、ある程度までの厚みの金属微細凹凸構造層であれば、透明基板の裏面側から増強ラマン散乱光を十分に検出することができる。   As in the Raman spectroscopic device 100 of the present embodiment, the configuration in which detection is performed from the back surface of the photoelectric field enhancement substrate 1 allows the metal fine concavo-convex structure layer and the subject to be detected when the subject is a large sample such as a cell. Can be detected from the back side of the transparent substrate without being shielded by the subject itself. In addition, if the metal fine concavo-convex structure layer has a certain thickness, enhanced Raman scattered light can be sufficiently detected from the back side of the transparent substrate.

上述の実施形態のラマン分光装置100は、光電場増強デバイス1の試料保持面(表面)とは逆側(デバイスの裏面)から励起光を入射すると共にラマン散乱光を検出するよう構成されているが、図4に設計変更例のラマン分光装置110を示すように、従来の装置と同様に、金属微細凹凸構造層24の表面側(試料保持面)から励起光L1を入射し、かつラマン散乱光L2を検出するように構成してもよい。   The Raman spectroscopic apparatus 100 according to the above-described embodiment is configured so that excitation light is incident from the side opposite to the sample holding surface (front surface) of the photoelectric field enhancing device 1 (back surface of the device) and Raman scattered light is detected. However, as shown in FIG. 4 showing a Raman spectroscopic device 110 of a design change example, the excitation light L1 is incident from the surface side (sample holding surface) of the metal fine concavo-convex structure layer 24 and Raman scattering is performed as in the conventional device. You may comprise so that the light L2 may be detected.

さらには、励起光照射部と、光検出部とのいずれか一方を金属微細凹凸構造層24の表面側に配置し、他方を基板1の裏面側に配置する構成としてもよい。   Furthermore, it is good also as a structure which arrange | positions any one of an excitation light irradiation part and a light detection part in the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer 24, and arrange | positions the other in the back surface side of the board | substrate 1. FIG.

このように、本発明の光電場増強デバイスは、透明基板を用いているので、金属微細凹凸構造層の表面側、あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも光を照射することができ、また、この光の照射により試料から生じた光についても、金属微細凹凸構造層の表面側あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも検出することができる。そのため、被検体の種類、サイズ等に応じて、励起光の照射、検出光の検出を金属微細凹凸構造層の表面側あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも行うことができるので、測定における自由度が高く、より高いS/Nで検出することが可能である。   Thus, since the photoelectric field enhancement device of the present invention uses a transparent substrate, light can be irradiated from either the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer or the back side of the transparent substrate, Light generated from the sample by this light irradiation can also be detected from either the surface side of the metal fine concavo-convex structure layer or the back side of the transparent substrate. Therefore, depending on the type, size, etc. of the subject, irradiation of excitation light and detection of detection light can be performed from either the front surface side of the metal fine concavo-convex structure layer or the back surface side of the transparent substrate. The degree is high, and it is possible to detect with a higher S / N.

既述の通り、本発明の光電場増強デバイスは、プラズモン増強蛍光検出装置に適用することができる。その場合にも、光電場増強デバイスの金属微細凹凸構造層上に被検体を載置し、この被検体側から励起光を照射し、被検体側から増強された蛍光を検出してもよいし、透明基板裏面側から励起光を照射し、該裏面側から蛍光を検出するようにしてもよい。あるいは被検体側から励起光を照射し、透明基板裏面側から蛍光を検出するよう構成してもよい。   As described above, the photoelectric field enhancement device of the present invention can be applied to a plasmon enhanced fluorescence detection apparatus. Even in such a case, the subject may be placed on the metal fine concavo-convex structure layer of the photoelectric field enhancing device, and excitation light may be irradiated from the subject side to detect the enhanced fluorescence from the subject side. The excitation light may be irradiated from the back side of the transparent substrate, and the fluorescence may be detected from the back side. Or you may irradiate excitation light from the subject side, and you may comprise so that fluorescence may be detected from the transparent substrate back surface side.

以下、本発明の光電場増強デバイスの実施形態である光電場増強基板1の具体的な作製例および測定用サンプルを用いてラマン分光測定を行った結果を説明する。   Hereinafter, the result of having performed the Raman spectroscopic measurement using the specific example of the photoelectric field enhancement board | substrate 1 which is embodiment of the photoelectric field enhancement device of this invention, and the sample for a measurement is demonstrated.

「光電場増強基板」
基板(ZEONEX(登録商標)330R)上に100nmのアルミニウムをEB蒸着した後に、1時間煮沸処理して形成されたベーマイト層を備えてなる基板上にAuを50nm分蒸着した。図5は、その基板表面をSEM(日立製S4100)にて撮影したSEM画像である。図5中に白く観察されるのが凸部、灰色に観測されるのが凹部である。凹凸のパターンは不規則であるが、全面に一様に形成されており、ベーマイトおよびAuからなる微細凹凸構造の面内均一性は高い。
"Optical field enhancement substrate"
After 100 nm of aluminum was EB-deposited on a substrate (ZEONEX (registered trademark) 330R), 50 nm of Au was deposited on a substrate provided with a boehmite layer formed by boiling for 1 hour. FIG. 5 is an SEM image obtained by photographing the substrate surface with an SEM (Hitachi S4100). In FIG. 5, convex portions are observed in white, and concave portions are observed in gray. Although the uneven pattern is irregular, it is uniformly formed on the entire surface, and the in-plane uniformity of the fine uneven structure made of boehmite and Au is high.

さらに、上記基板をホットプレートを用いて140℃で10分間加熱した。図6Aは加熱後のAu表面をSEMにて撮影したSEM画像であり、図6BはAu表面の亀裂部を拡大して撮影したSEM画像である。   Further, the substrate was heated at 140 ° C. for 10 minutes using a hot plate. 6A is an SEM image obtained by photographing the heated Au surface with an SEM, and FIG. 6B is an SEM image obtained by enlarging a crack portion on the Au surface.

図6Aに示すように、Au表面には基板収縮により亀裂が複数入っている。亀裂部を拡大すると、図6Bに示すように、金属からなる微細凹凸構造が近接していることがわかる。亀裂は、基板の加熱収縮時にかかる圧縮応力により生じており、この亀裂近辺では圧縮により金属微細構造の一部が浮いた状態となり、亀裂を挟んで一方が他方に重なっている。この亀裂により、多くのホットスポットが形成され、金属微細凹凸構造のみの場合よりも大きな信号を得ることができる。   As shown in FIG. 6A, the Au surface has a plurality of cracks due to substrate shrinkage. When the crack portion is enlarged, it can be seen that the fine concavo-convex structure made of metal is close as shown in FIG. 6B. The crack is caused by the compressive stress applied when the substrate is heated and contracted. In the vicinity of the crack, a part of the metal microstructure is floated by the compression, and one of them overlaps the other with the crack interposed therebetween. Due to this crack, many hot spots are formed, and a larger signal can be obtained than in the case of only the metal fine concavo-convex structure.

「測定用サンプルを用いたラマン分光測定」
上記作製工程で作製した金属凹凸構造層に亀裂を有する基板(亀裂あり)および上記作製工程において、基板の加熱を行う前の金属凹凸構造層に亀裂を有しない基板(亀裂なし)を用い、それぞれの基板上に、100μMのローダミン6Gエタノール溶液を40μL滴下して乾燥させたサンプルについて、ラマン顕微鏡(ナノフォトン社製:Raman5)で計測した。
"Raman spectroscopy measurement using measurement samples"
A substrate having a crack (with cracks) in the metal concavo-convex structure layer produced in the production process and a substrate having no crack (no crack) in the metal concavo-convex structure layer before heating the substrate in the production process, A sample obtained by dropping 40 μL of a 100 μM rhodamine 6G ethanol solution onto a substrate and drying the sample was measured with a Raman microscope (manufactured by Nanophoton: Raman5).

図7は2つの測定用サンプルについて得られたラマンシフトスペクトル分布を示すものである。なお、励起波長は785nmであり、20倍の対物レンズを使用している。積算時間は10秒、平均化を2回行っている。
このデータから、亀裂ありの場合の方がなしの場合に比べ3倍ものラマン信号を得ることができており、亀裂を形成することの電場増強効果を実証している。
FIG. 7 shows the Raman shift spectrum distribution obtained for two measurement samples. The excitation wavelength is 785 nm, and a 20 × objective lens is used. Integration time is 10 seconds and averaging is performed twice.
From this data, the Raman signal can be obtained three times as much as the case where there is a crack compared to the case where there is no crack, demonstrating the electric field enhancement effect of forming a crack.

1 光電場増強基板(光電場増強デバイス)
11 透明基板
20 アルミニウム
22 微細凹凸構造層
24 金属微細凹凸構造層
30 亀裂
100 ラマン分光装置
140 励起光照射部
150 光検出部
1 Photoelectric field enhancement substrate (photoelectric field enhancement device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Transparent substrate 20 Aluminum 22 Fine uneven structure layer 24 Metal fine uneven structure layer 30 Crack 100 Raman spectroscopic device 140 Excitation light irradiation part 150 Photodetection part

Claims (8)

樹脂基板と、
該樹脂基板上に形成され、金属酸化物の水和物からなる、微細凹凸構造を表面に有する微細凹凸構造層と、
該微細凹凸構造層上に形成された、微細凹凸構造を表面に有する金属微細凹凸構造層とを備え、
前記金属微細凹凸構造層に亀裂を有することを特徴とする光電場増強デバイス。
A resin substrate;
A fine concavo-convex structure layer having a fine concavo-convex structure formed on the surface of the resin substrate and made of a metal oxide hydrate;
A metal fine concavo-convex structure layer formed on the fine concavo-convex structure layer and having a fine concavo-convex structure on the surface,
A photoelectric field enhancement device, wherein the metal fine concavo-convex structure layer has a crack.
前記金属微細凹凸構造層の前記微細凹凸構造の周期が200nm以下であることを特徴とする請求項1記載の光電場増強デバイス。   The photoelectric field enhancement device according to claim 1, wherein a period of the fine uneven structure of the metal fine uneven structure layer is 200 nm or less. 前記金属酸化物の水和物がベーマイトまたはバイヤーライトであることを特徴とする請求項1または2記載の光電場増強デバイス。   The photoelectric field enhancement device according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide hydrate is boehmite or Bayerlite. 前記金属微細凹凸構造層が、金、銀、銅、アルミニウムまたはプラチナからなることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の光電場増強デバイスの製造方法。   The method for producing a photoelectric field enhancement device according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal fine concavo-convex structure layer is made of gold, silver, copper, aluminum, or platinum. 樹脂基板上に、第1の金属もしくは該第1の金属の酸化物からなる薄膜を形成し、該薄膜を水熱反応させることにより、前記第1の金属の酸化物の水和物からなる微細凹凸構造を表面に有する微細凹凸構造層を形成し、
該微細凹凸構造層の表面に、第2の金属からなる表面に微細凹凸構造を有する金属微細凹凸構造層を形成し、
その後、前記樹脂基板を収縮させることにより前記金属微細凹凸構造層に亀裂を生じさせることを特徴とする光電場増強デバイスの製造方法。
A thin film made of the first metal or the oxide of the first metal is formed on the resin substrate, and the thin film is hydrothermally reacted to thereby form a fine film made of the hydrate of the first metal oxide. Forming a fine concavo-convex structure layer having a concavo-convex structure on its surface;
On the surface of the fine uneven structure layer, a metal fine uneven structure layer having a fine uneven structure on the surface made of the second metal is formed,
Thereafter, the resin substrate is contracted to cause cracks in the metal fine concavo-convex structure layer.
前記金属微細凹凸構造層の前記微細凹凸構造の周期が200nm以下であることを特徴とする請求項5記載の光電場増強デバイスの製造方法。   6. The method of manufacturing a photoelectric field enhancement device according to claim 5, wherein a period of the fine uneven structure of the metal fine uneven structure layer is 200 nm or less. 前記樹脂基板を加熱することにより、該樹脂基板を収縮させることを特徴とする請求項5または6記載の光電場増強デバイスの製造方法。   The method of manufacturing a photoelectric field enhancement device according to claim 5 or 6, wherein the resin substrate is contracted by heating the resin substrate. 請求項1から4いずれか1項記載の光電場増強デバイスと、
該光電場増強デバイスに対して励起光を照射する励起光照射部と、
前記励起光の照射により生じた光を検出する光検出部とを備えたことを特徴とする測定装置。
The photoelectric field enhancement device according to any one of claims 1 to 4,
An excitation light irradiation unit for irradiating the photoelectric field enhancement device with excitation light;
A measurement apparatus comprising: a light detection unit that detects light generated by the irradiation of the excitation light.
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