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(In Japanese)光吸収デバイスおよびその製造方法ならびに光電極

Patent code P210017480
File No. (S2018-0225-N0)
Posted date Mar 15, 2021
Application number P2019-562032
Date of filing Dec 25, 2018
International application number JP2018047588
International publication number WO2019131640
Date of international filing Dec 25, 2018
Date of international publication Jul 4, 2019
Priority data
  • P2017-248071 (Dec 25, 2017) JP
Inventor
  • (In Japanese)三澤 弘明
  • (In Japanese)石 旭
  • (In Japanese)上野 貢生
  • (In Japanese)押切 友也
  • (In Japanese)孫 泉
  • (In Japanese)笹木 敬司
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人北海道大学
Title (In Japanese)光吸収デバイスおよびその製造方法ならびに光電極
Abstract (In Japanese)光吸収デバイスは、光反射層と、前記光反射層上に配置された誘電体層と、前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、を有する。前記複数の金属ナノ構造体は、それぞれ、その一部が前記誘電体層内に埋め込まれており、他の一部が外部に露出している。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

光と物質とが相互作用する確率は小さい。したがって、光と物質とを相互作用させるために、様々な試みがなされている。たとえば、バイオセンサーの感度やバイオイメージング像の解像度などを向上させるために、光としてレーザーが用いられている。また、太陽電池や人工光合成などの光エネルギー変換の効率を向上させるために、光を吸収させるための分子や量子ドットなどを高密度に配置したり、光を吸収させるための半導体を厚くしたりすることもなされている。しかしながら、このような手段では、原料コストが増大したり、半導体の種類によっては厚くなることで電荷分離効率が低下してしまったりするという問題がある。

このような背景のもと、光と物質との相互作用の確率を増大させるための手段として、局在表面プラズモン共鳴を示す金属ナノ構造体や、光を閉じ込める微小共振器、フォトニック結晶などのマイクロ・ナノ構造が注目されている。特に、局在表面プラズモン共鳴を利用したデバイスは、複数の金属ナノ構造体(金属ナノ微粒子)を2次元平面上に配置するだけで光を高効率に捕集することができることから、この十数年間盛んに研究が行われている。近年では、酸化物半導体基板上に複数の金属ナノ構造体を配置すると、単に光を増幅させるだけではなく、金属から半導体への電子注入が促進され、水素の発生やアンモニアの合成などの化学反応にもプラズモンの効果を及ぼしうることが報告されている。

しかしながら、複数の金属ナノ構造体を半導体基板の表面に配置するだけでは、光を完全に捕集することはできない。通常、複数の金属ナノ構造体を半導体基板の表面に配置しただけでは、最大でも50%程度の光を吸収させるのが限界である。しかも、この場合は、プラズモン共鳴を示す特定の波長の光しか吸収することはできない。半導体の形状をナノロッド構造、ナノチューブ構造、ハニカム構造などにして3次元化を図り、その中に金属ナノ構造体を担持して光吸収量を増大させることも提案されている。しかしながら、この方法では、見かけ上の光-エネルギー変換効率は増大するものの、プラズモン共鳴に基づく特定の波長の光を有効に利用するだけであり、幅広い波長の光の吸収や内部量子収率の増大は実現できない。

幅広い波長の光を吸収できる光吸収デバイスとしては、金薄膜の上に誘電体層を形成し、さらにその上またはその中に複数の金属ナノ構造体を配置した、パーフェクトアブソーバーまたはスーパーアブソーバーと称される光吸収デバイスが報告されている(非特許文献1参照)。この光吸収デバイスでは、金属ナノ構造体の直下に誘電体層を介して位置する金薄膜において、金属ナノ構造体で生じたプラズモンと逆位相のプラズモンがミラーイメージとして形成され、金属ナノ構造体におけるプラズモンと金薄膜におけるプラズモンとの間で「イメージ双極子相互作用」と称される強い近接場相互作用が生じるため、幅広い波長の光を吸収できると考えられている(非特許文献2参照)。この光吸収デバイスでは、光吸収のみに着目しているため、金属ナノ構造体が誘電体層の上に配置されているか、または誘電体層の中に完全に埋め込まれている。また、この光吸収デバイスでは、イメージ双極子相互作用を利用することを想定しているため、誘電体層の厚みを薄くしなければならないと考えられていた。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、光吸収デバイスおよびその製造方法に関する。また、本発明は、前記光吸収デバイスを含む光電極に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
光反射層と、
前記光反射層上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、
を有し、
前記複数の金属ナノ構造体は、それぞれ、その一部が前記誘電体層内に埋め込まれており、残部が外部に露出している、
光吸収デバイス。

【請求項2】
 
前記複数の金属ナノ構造体は、光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させ、
前記光反射層および前記誘電体層は、光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する、
請求項1に記載の光吸収デバイス。

【請求項3】
 
前記ファブリ・ペロー共振器の共振波長は、前記局在表面プラズモン共鳴のピーク波長±当該ピークの半値幅の範囲内である、請求項2に記載の光吸収デバイス。

【請求項4】
 
前記誘電体層と接触しているすべての金属ナノ構造体の合計体積に対する、その一部が前記誘電体層内に埋め込まれており、残部が外部に露出している前記金属ナノ構造体の体積の割合は、90%以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の光吸収デバイス。

【請求項5】
 
請求項1~4のいずれか一項に記載の光吸収デバイスを含む、光電極。

【請求項6】
 
光反射層としての金属層を準備する工程と、
前記金属層の表面に第1誘電体層を形成する工程と、
前記第1誘電体層の上に、複数の金属ナノ構造体を形成する工程と、
前記第1誘電体層の上に、前記複数の金属ナノ構造体が完全に埋まらないように原子層堆積法により第2誘電体層を形成する工程と、
を有する、光吸収デバイスの製造方法。

【請求項7】
 
前記第2誘電体層を形成する工程では、前記複数の金属ナノ構造体の表面にヒドロキシル基を付加する表面処理を行うことなく、前記第1誘電体層の上に原子層堆積法により第2誘電体層を形成する、請求項6に記載の光吸収デバイスの製造方法。

【請求項8】
 
前記第1誘電体層を形成する工程では、前記金属層の表面にヒドロキシル基を付加する表面処理を行った後に、前記表面処理をされた前記金属層の表面に原子層堆積法により第1誘電体層を形成する、請求項7に記載の光吸収デバイスの製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
  • 2H148AA07
  • 2H148AA11
  • 2H148AA18
  • 2H148AA21
Drawing

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JP2019562032thum.jpg
State of application right Published
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