JP5392694B2 - 磁気光学体 - Google Patents

Description

本発明は、磁気光学効果を有する磁気光学体に関し、特に、表面プラズモン共鳴を利用した磁気光学体に関するものである。

透過性磁性体の磁気光学効果は、古くから光アイソレーターやマイクロ波制御デバイスなどの光・高周波領域で利用されてきた。特に、透過性磁性体にＹ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２などのガーネット材料を用いたものは、可視光から赤外の波長領域にわたって透明な強磁性体で、高周波領域でも損失が小さいことから、研究が行なわれている。磁気光学効果の１つであるファラデー回転角の波長依存性は、磁性体の組成が決まると材料固有のものとして決定される。このため、例えば、１．５５μｍ帯の光通信波長領域で大きなファラデー回転角を要求する場合や、可視光領域で損失が小さくかつ、磁気光学効果の大きなものが必要な場合など、利用する波長領域に応じて新しい材料の探査が行なわれてきた。

近年、表面プラズモン共鳴（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＰＲ）を利用することにより、磁気光学効果を増大させようという試みが始まっている。例えば、下記非特許文献１に示すように、Ｂｅｌｏｔｅｌｏｖらは、理論計算から、光波長以下の直径を持つ周期的な孔を空けた金属強磁性体に光を入射すると、見かけ上透過率が増大し、大きな磁気光学効果が発現すると述べている。また、非特許文献２に示すように、Ａｂｅらは、詳細な理論計算結果から、Ｆｅ（核）：誘電体（内殻）：Ａｇ（外殻）＝２：３：５の半径比を持つナノオニオンで、表面プラズモン共鳴によって、Ｆｅバルク試料やアモルファスＧｄＴｂＦｅよりもはるかに大きいカー回転角が得られると報告している。

また、非特許文献３に示すように、Ｔｏｍｉｔａらは、ＹＩＧに金ナノ粒子を埋め込んだＡｕ−ＹＩＧ膜を作製し、表面プラズモン共鳴が励起される波長領域でのカー回転角が負の値になったと報告している。

また、以下に示す特許文献１では、磁性材料を核とし、その表面に多層膜を配置し、最外殻に金属膜を置く微粒子において、磁気光学効果を変調させる技術が開示されている。また、特許文献２および３では、金属表面に表面プラズモン共鳴を励起させ、ラマン散乱や特殊な分光特性を利用したセンサに関する技術が開示されている。
Ｖ．Ｉ．Ｂｅｌｏｔｅｏｖ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ Ｍａｇ Ｍａｇ Ｍａｔ．，Ｎｏ．３００，ｐｐ ｅ２６０−ｅ２６３ 阿部正紀、日本応用磁気学会第１２７回研究会、ｐｐ．１７−２４ Ｓ．Ｔｏｍｉｔａ ｅｔ． ａｌ．，Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ．，Ｎｏ．９６，Ｐ１６７４０２（２００６） 特開２００４−２１９４１５号公報 特開２００７−２４８７０号公報 特開２００６−８３４５１号公報

上述した従来技術は、表面プラズモン共鳴を磁気光学効果に利用しようと示唆するものであるが、磁気光学効果の中でも最も工学的に重要なファラデー効果について言及しているものはない。表面プラズモン共鳴がファラデー効果に影響するか否かを確認することは、透過性磁性体材料の今後の工学的な応用の観点から非常に重要なことである。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、透過性磁性体薄膜に金属ナノ粒子を複合化することにより、磁気光学効果を増大させることを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１に係る発明は、石英基板上または第１の透光性磁性体薄膜上に複合化磁性体膜を備える磁気光学体であって、前記複合化磁性体膜は、前記第１の透光性磁性体薄膜上に、複数の金属ナノ粒子を電子ビームによる描画によって相互に間隔を有して配置し、これらの金属ナノ粒子の上から第２の透光性磁性体薄膜を成膜してなるものであることを特徴とする磁気光学体によって構成される。この構成によれば、第２の透過性磁性体薄膜と金属ナノ粒子とによって、表面プラズモン共鳴により、金属ナノ粒子に誘起される電気分極が大きくなり、これにより、第１および第２の透過性磁性体薄膜の磁気光学効果を増大させることができる。なお、以下において、透過性磁性体薄膜の内部に金属ナノ粒子を複合化させるという表現をする場合は、複数の金属ナノ粒子を相互に間隔を有して配置した上に透過性磁性体薄膜を成膜した状態を示すものである。

また、本発明は、前記金属ナノ粒子を形成する金属材料は、前記複合化磁性体薄膜を透過する光の波長が３８０ｎｍから２０００ｎｍであることを特徴とする磁気光学体によっても構成することもできる。このように、金属材料を選択することにより、複合化磁性体薄膜を透過する光の波長を決定することができる。なお、複合化磁性体薄膜を透過する光の波長を３８０ｎｍから２０００ｎｍとする金属材料は、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどが挙げられる。

また、本発明は、前記金属ナノ粒子を形成する金属材料は、Ａｕ、ＡｇあるいはＡｌであることを特徴とする磁気光学体によって構成することもできる。この構成によれば、誘電体微粒子を混入させることで、短波長（例えば波長４００ｎｍ）の光を透過させることができ、これに金属材料であるＡｕなど加えることにより、その波長におけるファラデー回転角が増大する。したがって、磁気光学体の性能指数を増大させることができる。

また、本発明は、前記金属ナノ粒子を形成する金属材料は、複数の金属材料を組み合わせたものであることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、金属ナノ粒子を形成する金属材料を複数の金属材料を組み合わせることにより、複合化磁性体薄膜を透過する光の波長を変化させることが可能となり、磁気光学体の応用範囲を広げることができる。

また、本発明は、複数の金属材料を組み合わせた前記金属ナノ粒子は、ＡｕとＡｇ、ＡｕとＡｌ、ＡｇとＡｌあるいはＡｕ、Ａｇ、Ａｌの組合せであることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、金属ナノ粒子を構成する金属材料を、例えば、ＡｇとＡｌの組合わせとすることにより、複合化磁性体薄膜を透過する光の波長を４００ｎｍから４８０ｎｍとすることができ、磁気光学体の応用範囲を広げることができる。

また、本発明は、前記複合化磁性体薄膜は、金属ナノ粒子に加えて絶縁材料を複合化させることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、複合化磁性体薄膜に絶縁材料を複合化させることにより、複合化磁性体薄膜の光損失を低減することができる。したがって、光損失の少ない磁気光学体を実現することができる。

また、本発明は、前記絶縁材料は、ナノ粒子であることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、絶縁材料がナノ粒子で構成されているため、光損失の少ない磁気光学体を実現することができる。

また、本発明は、前記絶縁材料の屈折率は、前記透光性磁性体薄膜の屈折率との差異が４０パーセント以内であることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、絶縁材料と透光性磁性体薄膜の屈折率の差異が４０パーセント以内の場合、光損失を良好に低減することができる。したがって、光損失の少ない磁気光学体を実現することができる。

また、本発明は、前記絶縁材料は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｈｆ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_ｘ、ＮｉＯ、ＣｏＯから選択されるうちの１つであることを特徴とする請求項７に記載の磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、上記の材料の屈折率は、透光性磁性体薄膜との屈折率の値の差が少ないため、複合化磁性体薄膜の光損失を少なくすることができる。

また、本発明は、前記絶縁材料の周囲に、強磁性金属薄膜を配置させることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、絶縁材料の周囲に強磁性金属薄膜が配置されているため、光損失を低減しつつ、磁気光学効果を増大させることができる。なお、絶縁材料の周囲に強磁性金属薄膜を配置させるとは、絶縁材料である粒子の周りを強磁性金属薄膜で被覆させたり、絶縁材料である粒子の周りの一部に強磁性金属薄膜を付着させることをいう。

また、本発明は、前記透光性磁性体薄膜の材料は、ガーネットであることを特徴とする磁気光学体によって構成することもできる。この構成によれば、透光性磁性体薄膜の材料をガーネットとすることで、可視光領域（５００ｎｍから２０００ｎｍ）の光を透過させることができる磁気光学体を実現することができる。

また、本発明は、前記透光性磁性体薄膜の材料は、磁性酸化物、磁性窒化物、磁性酸化窒化物あるいはフェライトであることを特徴とする磁気光学体によって構成することもできる。この構成によれば、透光性磁性体薄膜の材料をフェライトとすることで、長波長領域（８００ｎｍから２０００ｎｍ）の光を透過させることができる磁気光学体を実現することができる。

また、本発明は、前記複合化磁性体薄膜は、前記透光性磁性体薄膜の上に前記金属ナノ粒子を形成し、該金属ナノ粒子の上に前記透光性磁性体薄膜を成膜することにより形成されることを特徴とする磁気光学体によっても構成することができる。この構成によれば、金属ナノ粒子の上下に透光性磁性体薄膜を配置させることにより、複合化磁性体薄膜を作製することができる。

また、本発明は、前記金属ナノ粒子の上に成膜された前記透光性磁性体薄膜の膜厚は、前記金属ナノ粒子の大きさに応じて決定されることを特徴とする磁気光学体によって構成することもできる。この構成によれば、金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴によって発生する高周波電界は、金属ナノ粒子の表面から数十ｎｍの領域に限られていると考えられるため、透光性磁性体薄膜の膜厚を金属ナノ粒子の大きさに応じて決定することにより、良好に磁気光学効果を発生する磁気光学体を作製することが可能となる。

本発明は、透過性磁性体薄膜に金属ナノ粒子を複合化させることにより、磁気光学効果を増大させることができる。また、複数の金属ナノ粒子の材料や、金属ナノ粒子に加えて絶縁材料を複合化させることにより、透過する光の波長を変化させることができる。

本発明を実施するための最良の形態について、第１の実施形態によってその詳細を具体的に説明する。

（Ａｕナノ粒子の形成）
本実施形態の磁気光学体を作製するにあたり、まず、Ａｕナノ粒子の形成ついて検討した。図１にＡｕナノ粒子の形成条件を示す。溶融石英基板上にＡｕ薄膜を１から１０ｎｍの厚さで成膜した。成膜にはスパッタリング法を用いた。ターゲットはＡｕ、スパッタリングガスは空気（Ａｉｒ）、スパッタリング圧は１０Ｐａ、スパッタリングパワーは５Ｗとした。上記のスパッタリング条件により、石英基板上にＡｕ薄膜を成膜した後、アニーリング（熱処理）を行なった。アニーリングの温度は３００℃から１０００℃、アニーリング時間は１０分間とした。

このように、Ａｕ薄膜を融点に近い温度でアニーリングを行う手法を、多層領域制御法という。この手法は、Ａｕ薄膜を熱処理するだけで容易にナノスケールのＡｕ微粒子を得ることができる。また、この手法の制御パラメータは、Ａｕ膜厚、熱処理温度、下地層種類など限られており、比較的再現性良くＡｕナノ粒子を得ることができる。

図２に、上記の条件、手法によって得られたＡｕナノ粒子の表面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像を示す。図２に示すように、直径が約４０ｎｍから８０ｎｍ程度の大きさを持つＡｕナノ粒子が分散性良く形成されていることがわかった。

また、図３に熱処理温度を変化させた場合のＡｕナノ粒子の直径の変化を示す。図３に示すように、アニーリング温度が３００℃の場合は、Ａｕナノ粒子の直径は約１００ｎｍ程度であり、Ａｕが十分に分離していないと考えられる。一方、アニーリング温度を高くすると、Ａｕの拡散が大きくなるため、Ａｕナノ粒子の直径が大きくなることが分かった。

次に、図４に熱処理温度を変化させた場合のＡｕナノ粒子の透過率スペクトルを示す。図４に示すように、熱処理温度が低い場合は、ＳＰＲ（表面プラズモン共鳴：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）波長は長波長側に現れ、半値幅が大きかった。また、熱処理温度５００℃では、約５５０ｎｍのＳＰＲ波長で顕著な透過率の変化が見られた。これは、局在表面プラズモン共鳴によるエネルギー吸収と考えられる。熱処理温度が高い場合は、ＳＰＲ波長は短波長側に現れ、９００℃の熱処理で約５２５ｎｍの光波長で局在表面プラズモン共鳴が観測された。

次に、図５に、Ａｕ膜厚を変化させた場合のＡｕナノ粒子のＳＥＭ像、Ａｕ粒子の直径および透過率の測定結果を示す。図５に示すように、Ａｕ膜厚を変化させた場合でも、Ａｕナノ粒子の直径が３０ｎｍから５０ｎｍと変化が少ないため、ＳＰＲ波長の変化は小さかった。また、深さは３から２５パーセント変化していた。

（Ａｕナノ粒子を複合化した透光性磁性体薄膜の形成）
次に、本発明の実施形態であるＡｕナノ粒子を複合化した透光性磁性体薄膜の形成について説明する。本実施形態では、透光性磁性体薄膜としては、磁性ガーネット膜の１種であるビスマス置換ＹＩＧ（Ｂｉ_０．５Ｙ_２．５Ｆｅ_５Ｏ_１２、以下Ｂｉ：ＹＩＧと称す）を用いた。図６に形成プロセスを示す。また、図７にスパッタリングによる形成条件を示す。図６に示すように、溶融石英基板４上にスパッタリング法を用いてＢｉ：ＹＩＧ膜６を成膜した。スパッタリング条件は、スパッタリングターゲットはＢｉ_１Ｙ_２．５Ｆｅ_５Ｏ_ｘ、スパッタリングガスはＡｒ、スパッタリング圧は４×１０^−１Ｐａ、スパッタリングパワーは１００Ｗ、Ｂｉ：ＹＩＧ膜６の膜厚は４０ｎｍとした。なお、スパッタリングターゲットには、化学量論組成からずれた組成のものを用いた。これは、このような組成のターゲットを用いることにより、平滑性に優れたＢｉ：ＹＩＧ膜６が得られるためである。ＥＤＸによる組成分析とＸＲＤ測定から、このようなターゲットを用いて形成したＢｉ：ＹＩＧ膜６は、熱処理によりガーネット単相のものが得られることが分かっている。

Ｂｉ：ＹＩＧ膜６を形成した後、Ａｕ膜８を成膜した。Ａｕ膜８の膜厚は１から１０ｎｍである。スパッタリング条件は図１に示す条件とした。Ａｕ膜８を形成した後、７００℃、７５０℃で１０分間アニーリングを行なった。

Ａｕ膜８のアニーリングにより、Ａｕナノ粒子１０を形成した後、Ｂｉ：ＹＩＧ膜１２を成膜した。上述したように、多層領域制御法によって得られるＡｕナノ粒子１０の直径は概ね７０ｎｍ前後であるので、Ｂｉ：ＹＩＧ膜１２の膜厚はこのサイズにほぼ合致した膜厚とし、７５ｎｍとした。これは、Ａｕナノ粒子１０の表面プラズモン共鳴によって発生する高周波電界は、表面から数十ｎｍの領域に限られていることから、このサイズのＢｉ：ＹＩＧ膜１２でなければ顕著な効果が発現しないと考えられたためである。Ｂｉ：ＹＩＧ膜１２の成膜のスパッタリング条件は図７に示すものである。成膜されたＢｉ：ＹＩＧ膜１２は、スパッタリング直後はアモルファス状態にあるので、Ｂｉ：ＹＩＧ膜１２を一層形成する毎に真空チャンバーから取り出し、７５０℃でポスト熱処理を行なった。

上記の条件で作製したＢｉ：ＹＩＧ６上のＡｕナノ粒子１０の表面ＳＥＭ像、Ａｕナノ粒子１０の直径および透過率のＡｕ膜厚に対する変化を図８に示す。図８に示すように、Ａｕナノ粒子１０は球状に形成されていることがわかる。また、Ａｕナノ粒子１０は直径が大きく、ＳＰＲ波長が長波長側に現れていることが分かる。また、Ｂｉ：ＹＩＧ膜６上でのＡｕの拡散は大きいことが分かった。

次に、上記の条件で作製したＡｕナノ粒子１０を複合化したＢｉ：ＹＩＧ膜１２の断面ＳＥＭ写真を図９に示す。図９の上側の写真は、Ｂｉ：ＹＩＧ膜６上にＡｕナノ粒子１０を形成したもの（Ａｕナノ粒子／Ｂｉ：ＹＩＧ構造膜）であり、図９の下側の写真は、同じプロセスを繰り返してＡｕナノ粒子１０を内部に含むＢｉ：ＹＩＧ膜１２（Ｂｉ：ＹＩＧ／（Ａｕナノ粒子／Ｂｉ：ＹＩＧ）^２構造膜）の写真である。

次に、Ａｕナノ粒子１０を含むＢｉ：ＹＩＧ膜の透過率スペクトルを図１０に示す。図１０には、比較のために、Ａｕナノ粒子１０を含まない薄膜試料（Ｂｉ：ＹＩＧ ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｌｍ）の透過率スペクトルもあわせて示す。

図４に示した石英基板上にＡｕナノ粒子を形成した試料と、図１０のＢｉ：ＹＩＧ膜６上にＡｕナノ粒子１０を形成した試料（Ａｕ／Ｂｉ：ＹＩＧ）のＳＰＲ波長を比較してみると、前者のＳＰＲ波長が約５２５ｎｍであるのに対し、後者では約６７０ｎｍと長波長側にシフトしていた。また、Ａｕナノ粒子１０を内部に含むＢｉ：ＹＩＧ膜では、共鳴波長は約７６０ｎｍとなった。この共鳴波長の変化は、Ｂｉ：ＹＩＧの誘電率が空気および溶融石英よりも大きいことに起因すると考えられる。

また、図４に示した石英基板上にＡｕナノ粒子を形成した試料に対して、Ｂｉ：ＹＩＧとＡｕナノ粒子を複合化した試料では、観測した全波長領域において、透過率の減少が見られた。これは、Ｂｉ：ＹＩＧ自体の光吸収損失と、Ａｕナノ粒子による光散乱効果によるものと考えられる。

次に、これらの試料のファラデー回転角波長スペクトルを測定したので、これについて説明する。図１１に、今回測定に用いた回転検光子法の装置構成を示す。この装置構成において、印加磁界は±５ｋＯｅ、測定範囲は４００から１０００ｎｍとした。

図１２に、上記装置構成を用いて測定したファラデー回転角波長スペクトルを示す。図１２の上側の図は、表面プラズモン共鳴波長との対応を示すため図１０と同じものである。また、図１２の右側の図は、Ｂｉ：ＹＩＧ層の数に対するファラデー角の大きさを示している。図１２に示すように、表面プラズモン共鳴が生じる光波長で、ファラデー回転角が増大していることがわかった。例えば、Ａｕ／Ｂｉ：ＹＩＧ構造の薄膜試料では、約６７０ｎｍの波長で最大のプラズモン共鳴が生じ、その同一波長でファラデー回転角が顕著に増大した。これは、ほぼ同じ厚さの単層膜と比較すると、約１．７倍のファラデー角が出現したことになる。

このようなファラデー回転角の増大は、以下のように説明することができる。すなわち、特定の波長でＡｕナノ粒子に局在化した表面プラズモン共鳴が生じ、ナノ粒子近傍に同じ周波数の高周波電界が形成される。この高周波電界は、物質内の電気分極と等価で、Ｂｉ：ＹＩＧ固有の誘電率εに対角成分、非対角成分ともわずかな変調Δεをもたらす。ファラデー回転角は誘電率の大きさで決まるので、テンソル量としての誘電率の変調Δεは、ファラデー回転角の増大に寄与する。

以上説明したように、本発明の実施形態である第１の実施形態においては、透光性磁性体薄膜の磁気ガーネット材料であるＢｉ：ＹＩＧ膜にＡｕナノ粒子を複合化させたため、磁気光学体２のファラデー角を増大させることができた。したがって、透光性磁性体薄膜の磁気光学効果を増大させることができることが分かった。

なお、本実施形態においては、Ｂｉ：ＹＩＧ膜にＡｕナノ粒子を複合化させたものについて説明したが、これに限らず、Ｂｉ：ＹＩＧ膜に複合化させる金属材料は他の材料を用いることもできる。他の材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｌなどが挙げられる。複合化させる金属材料は、現存する金属元素から選択すれば良いが、複合化した磁性体薄膜を透過する光の波長が、３８０ｎｍから２０００ｎｍとなるような金属材料とすることが望ましい。

また、本実施形態では、Ｂｉ：ＹＩＧ膜にＡｕナノ粒子を複合化させたものについて説明したが、Ｂｉ：ＹＩＧ膜に複数の種類の金属材料からなる金属ナノ粒子を複合化させても良い。これにより、金属材料を複合化させた磁性体薄膜の透過する光の波長を変化させることができる。複数種類の金属材料としては、例えば、ＡｇとＡｌの組合せが挙げられる。この組合せによれば、複合化磁性体薄膜が透過する光の波長を４００ｎｍから４８０ｎｍとすることができる。また、他の金属材料の組合せ、例えば、ＡｕとＡｌの組合せでも良い。ＡｕとＡｌを金属材料として組み合わせた場合の特性を図１３に示す。金属材料としてＡｕのみ、Ａｌのみを採用した場合は、図１３（ａ）に示すように、それぞれの材料固有の波長において、ファラデー回転の大きさが決められる。一方、金属材料としてＡｕとＡｌを組み合わせた場合、図１３（ｂ）に示すように、４００ｎｍから６００ｎｍにおいてファラデー回転の大きさが合成されたような特性とすることができる。したがって、複数の金属材料を組み合わせた場合は、透過する光の波長を変化させることができる。また、金属材料の組合せは、ＡｕとＡｇ、ＡｕとＡｇとＡｌとしても良い。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態においては、基板上の薄膜をアニールしたため、Ａｕナノ粒子の大きさおよび配置がランダムなものであった。この薄膜をアニールするという手法は、大きな面積に微粒子を作製することが可能であるという利点を有するが、アニールを行なうことによってＡｕナノ粒子では問題ないが、Ａｇナノ粒子やＡｌナノ粒子では、ナノ粒子が酸化するという事実も有している。これに対し、第２の実施形態では、Ａｕナノ粒子をＥ−ｂｅａｍ（電子ビーム）によってドット描画を行なうことにより作製したものである。

まず、第１の実施形態によって作製されたＡｕナノ粒子と、第２の実施形態によって作製されたＡｕナノ粒子の形状を比較したものを示す。図１４は、第１の実施形態によって作製されたＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。また、図１５は、第２の実施形態によって作製されたＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。図１４および図１５によれば、第２の実施形態で作製されたＡｕナノ粒子は、第１の実施形態で作製されたＡｕナノ粒子に比べ、等間隔で、かつ同じ粒径で作製されていることがわかる。

次に、第２の実施形態のＥ−ｂｅａｍを用いてＡｕナノ粒子を作製する製法について詳細に説明する。図１６は第２の実施形態の作製プロセスを示す図である。図１６では、ポジ型レジストを用いたＡｕナノ粒子ドットの作製プロセスについて説明する。図１６（ａ）では、溶解石英基板上にレジストが形成される。レジストは、ＺＥＰ５２０−１２ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｙｐｅが用いられる。Ｐｒｅｂａｋｅは２００℃、１０分、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔは１分３０秒、Ｒｉｎｓｅは１分である。次に、図１６（ｂ）において、Ｅ−ｂｅａｍの照射が行なわれる。Ｅ−ｂｅａｍのプローブ電流は１００ｐＡである。次に、図１６（ｃ）において、Ａｕ膜が形成される。Ａｕは、ｑｕｉｃｋ ｃｏｏｌ ｃｏａｔｅｒによりスパッタされる。次に、図１６（ｄ）では、レジストがＬｉｆｔ−ｏｆｆされ、Ａｕナノ粒子のドットが形成される。その後、Ｂｉ：ＹＩＧ膜が成膜されて、透光性磁性体薄膜が作製されることとなる。

上述したＡｕナノ粒子ドットの形状について、図１７を用いて説明する。図１７は図１６に示す作製プロセスで作製したＡｕナノ粒子のドットの形状を示す電子顕微鏡写真である。図１７に示すように、Ａｕナノ粒子のドットは、長軸方向と短軸方向を有する形状となっており、長軸方向は２３０ｎｍ、短軸方向は１５４ｎｍであった。

図１７のような形状のＡｕナノ粒子を作製した場合、波長λと透過率Ｔおよびファラデー回転角θＦの関係は、図１８のグラフに示す関係になると考えられる。図１８によれば、波長λに対して透過率Ｔおよびファラデー回転角θＦが２つのピークを持つような関係となっていることが分かる。
次に、第２の実施形態のＥ−ｂｅａｍを用いたＡｕナノ粒子の作製プロセスについて説明するが、ネガ型レジストを用いたＡｕナノ粒子の作製プロセスについて説明する。図１９に、ネガ型レジストを用いたＡｕナノ粒子のドット作製のプロセスを示す。図１９（ａ）において、溶解石英基板上にはＡｕの薄膜が形成され、その上にレジストが形成される。Ａｕの薄膜はＤＩＢＳ（Ｄｕａｌ−ｔｙｐｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｕｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて形成されるものである。また、レジストはＳＡＬ６０１−ＳＲ７ Ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｙｐｅが用いられ、Ｐｒｅｂａｋｅは９５℃で１分、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔは１分３０秒、Ｒｉｎｓｅは１分である。次に、図１９（ｂ）において、レジストの表面にＥ−ｂｅａｍが照射される。Ｅ−ｂｅａｍのプローブ電流は４０ｐＡである。Ｂａｋｅは１１５℃で６分間である。次に、図１９（ｃ）では、レジストのＭｉｌｌｉｎｇが行なわれる。次に、図１９（ｄ）において、ＡｕのＭｉｌｌｉｎｇが行なわれる。ＡｕのＭｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅは１分あたり１０ｎｍである。ＭｉｌｌｉｎｇはＤＩＢＳにより行なわれる。次に、図１９（ｅ）に示すように、レジストのリフトオフが行なわれ、Ａｕナノ粒子が形成される。その後、Ｂｉ：ＹＩＧ膜が成膜されて、透光性磁性体薄膜が作製されることとなる。

次に、ネガ型レジストを用いて作製されたＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真を図２０に示す。図２０は、Ｍｉｌｌｉｎｇを行い、Ｌｉｆｔ−ｏｆｆを行なった後のＡｕナノ粒子の形状を撮影したものであり、Ａｕナノ粒子のドットの間隔は８７０ｎｍである。図２０に示すように、上記作製方法により、Ａｕナノ粒子は、等間隔、かつ同じ形状で作製されていることが分かる。

次に、ネガ型レジストを用いて作製されたＡｕナノ粒子について、Ｅ−ｂｅａｍの照射時間を変化させて作製した場合のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真を図２１に示す。図２１は、Ｍｉｌｌｉｎｇを行い、Ｌｉｆｔ−ｏｆｆを行なった後のＡｕナノ粒子の形状を撮影したものであり、Ａｕナノ粒子の間隔は８７０ｎｍである。また、図２１に示す４つの写真においては、Ｄｏｓｅ ｔｉｍｅ（電子の照射時間）はそれぞれ異なっている。図２１によれば、電子の照射時間を変化させることにより、Ａｕナノ粒子の直径が変化している様子が分かる。

次に、ネガ型レジストを用いて作製されたＡｕナノ粒子について、Ｍｉｌｌｉｎｇ前の電子顕微鏡写真を図２２に示す。図２２は、Ａｕナノ粒子の間隔は７２０ｎｍである。また、図２２に示す３つの写真においては、Ｄｏｓｅ ｔｉｍｅはそれぞれ異なっている。図２２によれば、電子の照射時間を変化させることにより、Ａｕナノ粒子の直径が変化している様子が分かる。

次に、第２の実施形態の作製方法によって作製されたナノ粒子について、アニールを行なったものの測定結果を説明する。図２３は、第２実施形態の作製方法によって作製されたＡｕナノ粒子とＡｇナノ粒子のアニール後の形状を示す図である。図２３の上側の写真はＡｕナノ粒子をアニールしたものであり、図２３の下側の写真は、Ａｇナノ粒子をアニールしたものである。Ａｕナノ粒子のアニールは８００℃で５分間行い、Ａｇナノ粒子のアニールは、５００℃で３分間行なった。図２３によれば、アニールされたＡｇナノ粒子は、長軸と短軸を有する楕円形状であることが分かる。このアニールされたＡｕナノ粒子とＡｇナノ粒子について、波長に対する透過率の測定結果を図２４に示す。図２４に示すように、アニールされたＡｇナノ粒子の透過率は、２箇所のピークを持っていることが分かる。このことは、アニールされたＡｇナノ粒子の電子顕微鏡による形状が楕円形状であったことに良く一致している。

上述したように、Ｅ−ｂｅａｍを用いた第２の実施形態においては、Ａｕナノ粒子の形状を所望のものとすることができるため、磁気光学効果を増大させることができる。第２の実施形態では、Ａｕナノ粒子を等間隔に作製することができるとともに、Ａｕナノ粒子の粒径を同一のものとすることができる。また、第２の実施形態では、Ａｕナノ粒子を楕円形状とすることができるため、プラズモン共鳴、そしてそれに伴う磁気光学効果を増大させることができる。また、第２の実施形態は、第１の実施形態と異なり、薄膜のアニールの必要がないため、Ａｕナノ粒子の酸化の影響を抑えることができる。

また、第２の実施形態の作製方法を用いてＡｇナノ粒子を作製し、これをアニールした場合、Ａｇナノ粒子の形状を楕円形にすることができる。これによって、プラズモン共鳴、そしてそれに伴う磁気光学効果を増大させることができる。

また、本実施形態では、Ｂｉ：ＹＩＧ膜にＡｕナノ粒子を複合化させたが、これに限らず、Ｂｉ：ＹＩＧ膜にＡｕナノ粒子以外に、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｈｆ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_ｘ、ＮｉＯ、ＣｏＯなどの絶縁材料を複合化させても良い。この一例を図２５に示す。図２５において、Ｂｉ：ＹＩＧ膜１４内には、Ａｕナノ粒子１６と絶縁材料１８が複合化されている。このように、Ｂｉ：ＹＩＧ膜に絶縁材料を複合化させることにより、透過する光の損失を低減することができる。なお、Ｂｉ：ＹＩＧ膜に複合化する絶縁材料は、Ｂｉ：ＹＩＧの屈折率に対して、比較的近い屈折率を有する材料が望ましく、両者の屈折率の差異は、４０パーセント以内であることが望ましい。このように、両者の屈折率を４０パーセント以内とすることにより、透過する光の損失を良好に低減することが可能となるのである。

また、絶縁材料を複合化させる場合、絶縁材料の周囲に強磁性金属薄膜を形成させたものを用いることもできる。図２６は絶縁材料の１つである誘電体（例えばＳｉＯ_２）の周囲に強磁性金属薄膜を形成したものを示す図である。強磁性金属薄膜の形成のさせ方は、図２６（ａ）に示すように、誘電体１５の周囲すべてに強磁性金属薄膜１７を形成させても良いし、図２６（ｂ）に示すように、誘電体１５の周囲の一部に強磁性金属薄膜１７を形成させても良い。誘電体１５の周囲に強磁性金属薄膜１７を形成することにより、以下のような効果が期待できる。

図２７は、誘電体１５の周囲に強磁性金属薄膜１７を形成したものをＡｕナノ粒子とともにＢｉ：ＹＩＧ膜に複合化させたものの特性を示す図である。図２７において、一方の特性は、誘電体の周囲に強磁性金属薄膜を形成したものをＡｕナノ粒子とともにＢｉ：ＹＩＧ膜に複合化させたものであり、他方の特性は、誘電体の周囲に強磁性金属薄膜を形成しないものをＡｕナノ粒子とともにＢｉ：ＹＩＧ膜に複合化させたものである。両者を比較すると、誘電体の周囲に強磁性金属薄膜を形成したものを複合化させた膜の方が大きな磁気光学効果を示していることが分かる。したがって、絶縁材料に強磁性金属薄膜を形成させることにより、プラズモン共鳴、そしてそれに伴う磁気光学効果を増大させることができる。

また、本実施形態では、透過性磁性体薄膜の材料として、ガーネット材料であるＢｉ：ＹＩＧ膜を用いたが、これに限らず、磁性酸化物、磁性窒化物、磁性酸化窒化物あるいはフェライトを用いることもできる。透過性磁性体薄膜の材料を変更することにより、透過する光の波長を変化させることができるため、必要に応じて適宜材料を変更することが可能である。なお、本実施形態の透光性磁性体薄膜、金属薄膜の作製は、様々な方法を用いることができる。例えば、スパッタ法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、微粒子堆積法、エアロゾルデポジション法などが挙げられる。

また、本実施形態では、透過性磁性体薄膜の材料として、ガーネット材料であるＢｉ：ＹＩＧ膜を用いたが、これに限られず、ＺｎＦｅＯの不規則磁性フェライト材料を用いることもできる。不規則磁性フェライト材料とは、結晶構造を持たない酸化物アモルファスマトリックスの中に、粒径が１０ｎｍ程度、あるいはそれ以下のフェライト（あるいは構造や組成、酸素含有率がフェライトより低い不完全な磁性酸化物）粒子が高い密度で分散した膜のことである。Ｂｉ：ＹＩＧに代えて不規則フェライト材料を用いることにより、透過する光の波長を短波長域にシフトさせることができ、短波長域におけるプラズモン共鳴、そしてそれに伴う磁気光学効果を増大させることができる。

なお、上述の各実施形態の磁気光学体２は、空間光変調器に利用することができる。図２８に空間光変調器２０の構成を示す。空間光変調器２０は、光を特定の方向に偏向させる偏向器２２と、ガラス基板上２４に配置された磁気光学体２６と、磁気光学体２６に偏向された特定方向の光を透過させる検光子２８より構成されている。磁気光学体２６の磁化方位を所定の方向に制御することにより、それぞれの磁気光学体２６を透過した光は偏向面回転を受け、これを検光子２８を通して見ることにより、各ピクセルの領域が白い領域と黒い領域に表示される。これにより、空間光変調器２０を実現することができる。

また、上述の各実施形態の磁気光学体２は、マイクロキャビティ装置に用いることができる。図２９は、磁気光学体２がマイクロキャビティ装置３０に用いられた例を示す図である。図２９において、マイクロキャビティ装置３０は、磁気光学体２と、磁気光学体２の両側に配置されたブラッグミラー３２を備えている。ブラッグミラー３２は異なる種類の材料を繰りかえし積層させて形成される多層膜であり、例えば、ＳｉＯ_２とＴｉ_２Ｏ_５の組合せを用いることができる。この構成のマイクロキャビティ装置３０によれば、ファブリーペロ共鳴によるファラデー回転角θＦの増加に加え、表面プラズモン効果共鳴によるファラデー回転角θＦがさらに増大することが予想される。したがって、本発明の磁気光学体２をマイクロキャビティ装置３０に用いることにより、マイクロキャビティ装置３０のプラズモン共鳴、そしてそれに伴う磁気光学効果を増大させることができる。

本発明に係る第１実施形態の作製プロセスおよび作製条件を示す図である。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子の表面ＳＥＭ写真である。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子の温度に対する直径を示すグラフである。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子の熱処理温度を変化させた場合の透過率スペクトルの変化を示すグラフである。 本発明に係る第１実施形態のＡｕ膜厚を変化させた場合のＡｕナノ粒子のＳＥＭ像、Ａｕ粒子の直径および透過率の測定結果を示す図である。 本発明に係る第１実施形態の磁気光学体２の作製プロセスを示す図である。 本発明に係る第１実施形態の磁気光学体２の作製条件を示す図である。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子の表面ＳＥＭ像、Ａｕナノ粒子の直径および透過率のＡｕ膜厚に対する変化を示す図である。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子を複合化したＢｉ：ＹＩＧ膜の断面ＳＥＭ写真である。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子を含むＢｉ：ＹＩＧ膜の透過率スペクトルを示すグラフである。 本発明に係る第１実施形態の回転検光子法の装置構成を示す図である。 本発明に係る第１実施形態のファラデー回転角波長スペクトルを示すグラフである。 本発明に係る第１実施形態の波長に対するファラデー回転の大きさを示すグラフである。 本発明に係る第１実施形態のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態の作製プロセスを示す図である。 本発明に係る第２実施形態のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態の磁気光学体の特性を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の作製プロセスを示す図である。 本発明に係る第２実施形態のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態のＡｕナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態のＡｕナノ粒子およびＡｇナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 本発明に係る第２実施形態の磁気光学体の特性を示す図である。 本発明に係る第１の実施形態の変形例である絶縁材料を複合化させた場合の材料のイメージ図である。 本発明に係る第１の実施形態の変形例である絶縁材料の周囲に強磁性体金属薄膜を配置させた場合の材料のイメージ図である。 絶縁材料の周囲に強磁性金属薄膜を配置させた場合の磁気光学体の特性図である。 本発明に係る第１の実施形態の磁気光学体を空間光変調器に応用した場合の構成図である。 本発明の磁気光学体をマイクロキャビティ装置に応用した場合の構成図である。

符号の説明

２ 磁気光学体
４ 溶融石英基板
６ Ｂｉ：ＹＩＧ膜
８ Ａｕ膜
１０ Ａｕナノ粒子
１２ Ｂｉ：ＹＩＧ膜
１４ Ｂｉ：ＹＩＧ
１５ 誘電体
１６ Ａｕナノ粒子
１７ 強磁性金属薄膜
１８ 絶縁材料
２０ 空間光変調器

Claims (14)

1. 石英基板上または第１の透光性磁性体薄膜上に複合化磁性体膜を備える磁気光学体であって、前記複合化磁性体膜は、前記第１の透光性磁性体薄膜上に、複数の金属ナノ粒子を電子ビームによる描画によって相互に間隔を有して形成し、これらの金属ナノ粒子の上から第２の透光性磁性体薄膜を成膜してなるものであることを特徴とする磁気光学体。
2. 前記金属ナノ粒子を形成する金属材料は、前記複合化磁性体薄膜を透過する光の波長が３８０ｎｍから２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学体。
3. 前記金属ナノ粒子を形成する金属材料は、Ａｕ、ＡｇあるいはＡｌであることを特徴とする請求項２に記載の磁気光学体。
4. 前記金属ナノ粒子を形成する金属材料は、複数の金属を組み合わせたものであることを特徴とする請求項２に記載の磁気光学体。
5. 複数の金属材料を組み合わせた前記親族ナノ粒子は、ＡｕとＡｇ、ＡｕとＡｌ、ＡｇとＡｌあるいはＡｕ、ＡｇおよびＡｌの組み合わせであることを特徴とする請求項４に記載の磁気光学体。
6. 前記複合化磁性体薄膜は、絶縁材料を複合化させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気光学体。
7. 前記絶縁材料は、ナノ粒子であることを特徴とする請求項６に記載の磁気光学体。
8. 前記絶縁材料の屈折率は、前記第２の透光性磁性体薄膜の屈折率との差違が４０パーセント以内であることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気光学体。
9. 前記絶縁材料は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｈｆ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_ｘ、ＮｉＯ、ＣｏＯから選択されるうちの１つであることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の磁気光学体。
10. 前記絶縁材料の周囲に、強磁性金属薄膜を配置させることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の磁気光学体。
11. 前記第１および第２の透光性磁性体薄膜の材料は、ガーネットであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気光学体。
12. 前記第１および第２の透光性磁性体薄膜の材料は、磁性酸化物、磁性窒化物、磁性酸化窒化物あるいはフェライトであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の磁気光学体。
13. 前記第２の透光性磁性体薄膜の膜厚は、前記金属ナノ粒子の大きさに応じて決定されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の磁気光学体。
14. 前記金属ナノ粒子の形状は、電子ビームによる描画によって制御されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の磁気光学体。