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Dokumentenidentifikation DE112006000344T5 27.12.2007
Titel Reflektanzkontroll-Optikelement und Ultradünnfilm-Licht-Absorptionsverbesserungselement
Anmelder Kyoto University, Kyoto, JP
Erfinder Kawasaki, Mitsuo, Kyoto, JP
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER Patentanwälte, 70182 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 112006000344
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 07.02.2006
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2006/302029
WO-Veröffentlichungsnummer 2006085515
WO-Veröffentlichungsdatum 17.08.2006
Date of publication of WO application in German translation 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse G11B 7/24(2006.01)A, F, I, 20060207, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 5/26(2006.01)A, L, I, 20060207, B, H, DE   G11B 7/004(2006.01)A, L, I, 20060207, B, H, DE   G11B 7/0065(2006.01)A, L, I, 20060207, B, H, DE   G11B 7/243(2006.01)A, L, I, 20060207, B, H, DE   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element, welches die Reflektanz oder Absorptivität von Licht gemäß der Wellenlänge zu ändern vermag.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verschiedene Arten von optischen Speichermedien zum Speichern oder Wiedergeben von digitaler Information, z.B. CDs und DVDs, sind weit verbreitet. In den letzten Jahren hat die Informationsmenge signifikant zugenommen als eine Folge des Fortschritts in vielfältigen Technologien, und deswegen besteht ein Bedarf nach einem optischen Speichermedium, welches eine größere Kapazität zum Speichern von mehr Information aufweist.

Zum Zweck der Erhöhung der Speicherdichte von optischen Speichermedien sind verschiedene diesbezügliche Techniken entwickelt worden. Beispielsweise offenbart Patentdokument 1 eine Mehrlagenfilmstruktur, erhalten durch Laminieren – über eine zwischenliegende Transparentharzfilmlage – einer Mehrzahl von inselartigen Metalldünnfilmen mit unterschiedlichen Spektralcharakteristika, jeweils bestehend aus feinen Metallpulvern von 100 nm oder weniger im Durchmesser, wobei jeder der inselartigen Metalldünnfilme als eine optische Speicherlage dient und wobei die Mehrlagenfilmstruktur als ein Multiwellenlängen-Optikspeichermedium verwendet wird. Die Einstrahlung eines Laserlichts mit einer hohen Energiedichte nahe der Resonanzwellenlänge der respektiven Metalllagen veranlasst die Metallpulver, Licht zu absorbieren und Wärme zu erzeugen, so dass lokales Schmelzen oder Verformen des peripheren Transparentharzmediums verursacht wird, und als eine Folge hiervon wird die Reflektanz um den laserbestrahlten Bereich herum verändert, so dass eine Markierung aufgezeichnet wird.

Bei dieser Art von Technik, welche die Reflexion oder Transmittanz von Licht verwendet, um Information zuverlässig zu speichern oder wiederzugeben, ist es wichtig, dass beim Speichern von Information die Reflektanz oder Absorptivität des Mediums, welches die Aufzeichnungslage bildet, so stark wie möglich verändert wird. Bezüglich dieser Technologie offenbart Patentdokument 2 ein Lichttransmissionsmaterialablationstyp-Dreilagen-Optikspeichermedium, umfassend ein lichtreflektierendes Material, eine Lage von lichttransmissivem Material auf dem lichtreflektierenden Material und eine Lage von lichtabsorbierendem Material auf der lichttransmissiven Lage. Gemäß dieser Technik ist es durch geeignetes Setzen der Dicke der lichttransmissiven Lage oder der Dicke der lichtabsorbierenden Materiallage möglich, die Lichtreflektanz der lichtabsorbierenden Materiallage zu vermindern. Andererseits ist es durch Bilden einer Öffnung durch Ablation der lichtabsorbierenden Lage, so dass die unten liegende lichtreflektierende Lage exponiert wird, möglich, eine optische Speicherung durchzuführen unter Ausnutzung einer Differenz zwischen der hohen Reflektanz der lichtabsorbierenden Lage und der niedrigen Reflektanz der lichtabsorbierenden Materiallage.

Patentdokument 3 offenbart eine Technik zum Modifizieren des in Patentdokument 2 offenbarten dreilagigen optischen Speichermediums, wobei die äußerste Lage aus einem sogenannten "Inselfilm" besteht, der eine Konfiguration aufweist, bei der Metallpartikel mit einem Partikeldurchmesser von ca. 10–30 nm unabhängig voneinander mit einem Intervall von ca. 5–20 nm hierzwischen vorliegen. In Patentdokument 3 wird Gold, welches eine ausgezeichnete Stabilität, insbesondere in Luft, aufweist, als die Metallpartikel verwendet. Gemäß dieser Technik bewirkt die Einstrahlung von Laserlicht auf den Inselfilm eine thermische Aggregation der peripheren Bereiche des bestrahlten Teils zu einer konvexen Form, so dass Hohlräume vergrößert werden und als eine Folge davon die Lichtabsorptivität der oben erwähnten Sektion vermindert wird, so dass es möglich ist, eine optische Speicherung durch Ausnutzung der optischen Änderung durchzuführen.

  • [Patentdokument 1] Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-11957
  • [Patentdokument 2] US-Patent Nr. 4329697
  • [Patentdokument 3] Internationale Veröffentlichungsschrift WO83/04332

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME

Die Gold verwendenden Inselfilme, offenbart in Patentdokument 3, sind mit dem Problem behaftet, dass, wenn die die Inselfilme bildenden Partikel durch Einstrahlung eines Laserstrahls agglomeriert und granuliert werden, die granulierten Partikel eine starke Plasmonabsorption in der sichtbaren Region zeigen, so dass die Wellenlänge, bei der die Lichtabsorptivität vermindert wird, beschränkt wird sowie die Lichtabsorption bei einigen Wellenlängen erhöht wird. Ferner ist ein Problem der aus Gold bestehenden Inselfilme, dass trotz ihrer hohen Stabilität gegen Oxidation sie nicht ausreichend Stabilität aufweisen zur Verwendung als ein optisches Element, weil die Lichtabsorptionscharakteristika desselben sich oft mit der Zeit ändern können.

Andererseits ist ein optisches Element mit einer laminierten Struktur, welches die Reflektanz signifikant zu modulieren vermag, bekannt geworden, wie in Patentdokument 2 und Patendokument 3 offenbart. Bekannt geworden ist jedoch nur eine Basisstruktur, und eine solche Struktur ist weit davon entfernt, optimal zu sein, um die optischen Charakteristika des optischen Elementes ausreichend auszunutzen.

MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME

Zur Lösung der oben erwähnten Probleme stellt die vorliegende Erfindung ein Reflektanzkontroll-Optikelement bereit, welches eine Änderung der Reflektanz von Licht gemäß der Wellenlänge zu bewirken vermag, umfassend:

ein Substrat, umfassend ein Material mit einer hohen Reflektanz;

einen Transparentfilm, umfassend ein Material mit einer Lichttransmissivität, gebildet auf der Oberfläche des Substrats; und

einen Ultradünnfilm, umfassend ein Material mit einer vorgegebenen Lichtabsorptivität, gebildet auf der Oberfläche des Transparentfilms, wobei:

der vorerwähnte Ultradünnfilm ein Metalldünnfilm ist, welcher aus Metallnanopartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 nm oder weniger hergestellt ist, wobei die Metallnanopartikel benachbart zueinander oder in Kontakt miteinander sind; und

das Metall mindestens ein Mitglied ist, ausgewählt aus der Gruppe, welche besteht aus einem einzelnen Platingruppenelement, einer Legierung von Platingruppenelementen und einer Legierung von einem Platingruppenelement und Nickel.

Als eine weitere Ausführungsform des Reflektanzkontroll-Optikelementes stellt die vorliegende Erfindung ein Lichtabsorptionsverbesserungselement in einem Ultradünnfilm bereit, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats mit einem Lichtstreureflexionsfilm in dem zuvor beschriebenen Reflektanzkontroll-Optikelement gebildet ist.

In der vorliegenden Beschreibung umfasst "Licht" nicht nur sichtbares Licht, sondern auch jede elektromagnetische Welle.

EFFEKT DER ERFINDUNG

Das Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung kann eine Änderung der Reflektanz gemäß der Wellenlänge bewirken, und somit ist eine drastische Verbesserung der Zuverlässigkeit eines optischen Speichermediums, welches digitale Information durch die Reflektanzänderung speichert und wiedergibt, möglich. Weiter: da es möglich ist, die Wellenlänge, bei der die Reflektanz einen Höchstwert erreicht, und die Wellenlänge, bei der die Reflektanz minimiert ist, frei zu kontrollieren durch richtiges Setzen der Materialien und der Dicke des Transparentfilms und des Ultradünnfilms, kann das Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung für ein breites Spektrum von Gebieten Anwendung finden. Ferner: da der Ultradünnfilm eine Metalldünnfilmstruktur aufweist, in der Platingruppenmetallnanopartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 nm oder weniger in einem einander benachbarten oder miteinander in Kontakt stehenden Zustand vorliegen, ist es möglich, die materialistische Existenz oder Nichtexistenz des Ultradünnfilms durch gepulste Laserbestrahlung genau zu kontrollieren. Daher kann bei Verwendung des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung als ein optisches Speichermedium oder dergleichen eine hochdichte Speicherung erzielt werden durch Ausnutzung der hohen Auflösung.

Ferner ist die Basisstruktur des Elementes eine einfache Struktur, bestehend aus drei Lagen, was vorteilhaft ist insofern, als die Herstellungskosten minimal sind.

Bei dem Lichtabsorptionsverbesserungselement, welches eine weitere Ausführungsform des Lichtreflektanzkontrollelementes gemäß vorliegender Erfindung ist, kann der Lichtabsorptionseffekt des Ultradünnfilms um das Zehnfache oder mehr mit einer sehr einfachen Struktur verbessert werden. Es ist daher möglich, einen Ultradünnfilm zu bilden, der sehr dünn ist und dennoch eine hervorragende Lichtabsorptionsfähigkeit aufweist.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm eines Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung.

2 zeigt ein AFM-(Rasterkraftmikroskop-)Bild eines Pt-Ultradünnfilms, hergestellt nach der Methode des DC-(Gleichstrom-)Sputterns.

3 zeigt ein AFM-Bild des Pt-Ultradünnfilms von 2 nach gepulster Laserbestrahlung.

4 zeigt Absorptionsspektren des Pt-Ultradünnfilms vor und nach gepulster Laserbestrahlung.

5 ist ein Graph, der die Reflektanz eines Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung zeigt.

6 ist ein Graph, der die Reflektanz zeigt, wenn ein Transparentfilm mit einer Dicke von 0,5 &mgr;m verwendet wird.

7 ist ein Graph, der die Reflektanz zeigt, wenn ein Transparentfilm mit einer Dicke von 90 nm verwendet wird.

8 ist ein Graph, der die Reflektanz zeigt, wenn der Brechungsindex des Transparentfilms und die Dicke des Transparentfilms geändert werden.

9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Dicke und der Reflektanz des Ultradünnfilms zeigt.

10 ist ein Graph, der die Reflektanz zeigt, wenn ein Farbstoff (Dye) in einem Ultradünnfilm in dem Element gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird.

11 ist ein Graph, der die Reflektanz zeigt, wenn der Ultradünnfilm durch Laminieren von drei verschiedenen Arten von Farbstoffen gebildet ist.

12 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm eines Lichtabsorptionsverbesserungselementes in dem Ultradünnfilm gemäß vorliegender Erfindung (obere Seite) und ein erläuterndes Diagramm, welches den Einsatz des Lichtabsorptionsverbesserungseffektes zeigt (untere Seite).

13 ist eine Zeichnung, die eine weitere Struktur des Lichtabsorptionsverbesserungselementes in dem Ultradünnfilm gemäß vorliegender Erfindung zeigt.

14 zeigt ein Strukturdiagramm eines Elementes, welches in den Vergleichsbeispielen in einem Experiment zur Untersuchung des Verbesserungseffekts des Lichtabsorptionsverbesserungselementes in dem Ultradünnfilm verwendet wird.

15 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Anregungslichtwellenlänge und der Fluoreszenzintensität jedes der in den Vergleichsbeispielen verwendeten Elemente zeigt.

16 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Fluoreszenzintensitäten und einer Dicke des Transparentfilms zeigt.

17 ist ein Graph, der Messergebnisse zeigt für die Oberflächenrauheit von Ag-SS als eine Probe eines Lichtstreureflexionsfilms (obere Seite), und ein Graph, der Messergebnisse zeigt für die Oberflächenrauheit der SOG-(Spin-on-Glas-)Oberfläche (untere Seite).

18 ist ein Graph, der Messergebnisse zeigt für die Oberflächenrauheit von AG-S als eine Probe eines Lichtstreureflexionsfilms (obere Seite), und ein Graph, der Messergebnisse zeigt für die Oberflächenrauheit der SOG-Oberfläche (untere Seite).

19 zeigt ein Spekularreflexionsspektrum (links) der Ag-SS-Probe und ein Streuspektrum (rechts) der Ag-SS-Probe.

20 zeigt ein Spekularreflexionsspektrum (links) der Ag-S-Probe und ein Streuspektrum (rechts) der Ag-S-Probe.

21 ist ein Graph, der die jeweilige Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Fluoreszenzintensität für das Lichtabsorptionsverbesserungselement und das Element des Vergleichsbeispiels in dem Ultradünnfilm zeigt.

22 zeigt ein Strukturdiagramm des Elementes in dem Fall, dass die Reflektanz geändert wird durch Änderung der Dicke des Transparentfilms, und eine Tabelle, welche eine Beziehung zwischen der Dicke und der Reflektanz des Transparentfilms zeigt.

23 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Interferenzmusters, erzeugt durch gepulste Lasereinstrahlung auf einen Pt-Ultradünnfilm (Dicke: 5 nm).

24 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Interferenzmusters, erzeugt durch gepulste Lasereinstrahlung auf einen Pt-Ultradünnfilm (Dicke: 20 nm).

25 ist ein Graph, der die Effizienz der Beugung erster Ordnung von Beugungsgittern zeigt, erzeugt durch die Verwendung des Elementes gemäß vorliegender Erfindung.

ERLÄUTERUNG DER BEZUGSZIFFERN

1
Substrat
2
Transparentfilm
3
Ultradünnfilm

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Ein schematisches Diagramm des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung ist in 1 gezeigt. Das Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung ist im Wesentlichen gebildet aus drei Lagen von einem Substrat 1, einem Transparentfilm 2 und einem Ultradünnfilm 3. Im Folgenden werden Materialien beschrieben, welche die jeweiligen Lagen bilden.

Materialien, welche das Substrat bilden, sind nicht besonders beschränkt; jedoch ist es in Hinsicht auf die Erzielung eines großen Reflektanzunterschiedes natürlich wünschenswert, dass die Materialien diejenigen sein sollten, die ein höchstmögliches Niveau der Reflektanz aufweisen. Beispiele für derartige Materialien umfassen Metalle wie Aluminium, Gold und Silber. Ferner ist in der vorliegenden Erfindung die Dicke des Substrates nicht beschränkt; es kann ein Dünnfilm oder Bulk sein.

Materialien, welche den Transparentfilm bilden, können beliebig gewählt sein, einschließlich alle Arten von Glas und Polymer, solange das Material Lichttransmissivität aufweist. Mit Hinsicht auf das Ziel, hohe Reflektanz zu erreichen, ist das Material jedoch wünschenswerterweise so transparent wie möglich (d.h. seine Lichtabsorptivität sollte niedrig sein). Ferner kann eine transparente Elektrode, z.B. ITO (Indium-Zinnoxid), als ein Transparentfilm verwendet werden, wenn der Lichtabsorptionsverbesserungseffekt des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung genutzt wird.

Wie später beschrieben wird, ändert sich die wellenlängenabhängige Reflektanz des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung in Abhängigkeit von der Dicke und dem Brechungsindex des Transparentfilms.

Der Ultradünnfilm ist auf der Oberfläche des vorerwähnten Transparentfilms gebildet, und die Dicke hiervon beträgt normalerweise einige zehn nm oder weniger. In Einklang mit dem optischen Element gemäß vorliegender Erfindung wird einfallendes Licht in den Lagen, welche sind das Substrat und der Transparentfilm, kaum absorbiert. Es ist daher anzunehmen, dass das Vorhandensein des Ultradünnfilms in der Hauptsache eine große Änderung der Reflektanz bewirken sollte. Materialien, welche den Ultradünnfilm bilden, sind nicht besonders beschränkt; jedoch weisen die Materialien wünschenswerterweise eine hohe Lichtabsorption auf (d.h. ihre Lichtabsorptivität sollte höher sein als die Reflektanz für den Fall der bevorzugten Dicke gemäß vorliegender Erfindung, wie später beschrieben), um eine große Änderung der Reflektanz zu bewirken.

Der Ultradünnfilm ist wünschenswerterweise ein Metalldünnfilm, bestehend aus Metallnanopartikeln, wobei die Partikel jeweils dicht benachbart oder in Kontakt miteinander angeordnet sind und wobei eine einzelne Lage oder mehrere Lagen des Metalldünnfilms in einer Dickenrichtung gebildet und nahezu gleichmäßig in einer Ebenenrichtung verteilt sind. In diesem Metalldünnfilm liegt ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser der Metallnanopartikel wünschenswerterweise im Bereich von 3 bis 10 nm. Einen Metalldünnfilm mit einer Struktur dieser Art zu erzeugen ist z.B. mit der Methode des DC-Sputterns möglich. 2 zeigt ein AFM-Bild eines nach der Methode des DC-Sputterns erzeugten Platin-(Pt-)Ultradünnfilms. Die Dicke des Films beträgt ca. 5 nm.

Der vorerwähnte Metalldünnfilm ist optisch äquivalent zu einem vollständigen kontinuierlichen Film und kann somit mittels der optischen Konstanten eines Bulks simuliert werden, was vorteilhaft für die Gestaltung des Elementes ist. Andererseits, da der Metalldünnfilm thermisch und elektrisch diskontinuierlich ist, tritt thermische Diffusion entlang des Films selten auf und die elektrische Leitfähigkeit ist niedrig.

Der Ultradünnfilm, welcher die vorerwähnten Charakteristika aufweist, ist vorteilhaft, wenn das Element gemäß vorliegender Erfindung als ein optisches Speichermedium genutzt wird. Nehmen wir z.B. an, ein Laser strahle auf vorgegebene Bereiche des Ultradünnfilms ein. Die in diesen Bereichen existierenden Metallnanopartikel absorbieren Energie von dem eingestrahlten Licht und erzeugen Wärme und werden dann aufgelöst, wobei dann eine Mehrzahl der Metallnanopartikel miteinander koaleszieren, so dass sie agglomeriert und granuliert werden. Weil die agglomerierten und granulierten Bereiche kein Licht absorbieren aus Gründen, die später beschrieben werden, ist es möglich, Bereiche zu bilden, in denen praktisch kein Ultradünnfilm vorliegt. Vor allem wird infolge der Charakteristik des seltenen Auftretens von thermischer Diffusion Energie nur in Bereichen konzentriert, wo Laserbestrahlung des Ultradünnfilms stattgefunden hat. Demgemäß ist es möglich, die materialistische Existenz des Ultradünnfilms genau zu kontrollieren und somit eine hochdichte Speicherung mit hervorragender Auflösung zu realisieren. Hierin wird zur weiteren Verbesserung der Auflösung bevorzugt ein gepulster Laser zur Zeit der Laserbestrahlung verwendet, um die thermische Diffusion auf ein minimales Niveau zu reduzieren.

Der betreffende Erfinder hat gefunden, dass Platingruppenelemente, z.B. Platin und Palladium, besonderen Vorzug verdienen als das Metall, welches relativ leicht den vorerwähnten Ultradünnfilm zu realisieren vermag. Platingruppenelemente haben eine thermische Leitfähigkeit, die so niedrig wie ca. ein Fünftel derjenigen von Gold, Silber, Kupfer oder dergleichen ist, und sind ferner ausgezeichnet hinsichtlich chemischer Stabilität und thermischer Stabilität. Im Falle von Gold, Silber, Kupfer oder dergleichen tendieren beim Erzeugen des Ultradünnfilms individuelle Partikel dazu, eine große Partikelgröße aufzuweisen, was es schwierig macht, die Metallnanopartikel mit einem Partikeldurchmesser von 10 nm oder weniger zu erhalten. Weiter: da unabhängige sphärische Nanopartikel von Platin nahezu keine Absorptivität in der sichtbaren Region aufweisen, wenn sie mit einem Laser bestrahlt und somit agglomeriert und granuliert werden bei ihrer Verwendung als die Materialien für den Ultradünnfilm (Absorption in der sichtbaren Region wird bewirkt durch Nachbarschaft oder Kontakt der Nanopartikel), wird der granulierte Teil in der sichtbaren Region transparent. 3 zeigt ein AFM-Bild des Pt-Ultradünnfilms von 2 nach gepulster Laserbestrahlung. Das Bild zeigt, dass Platin, welches vorher wie ein Film ausgespreitet war, agglomeriert und in die sphärische Gestalt granuliert ist. Wie durch dieses Bild gezeigt, sind selbst nach Laserbestrahlung einige zehn Prozent der gesamten Oberfläche mit den agglomerierten Partikeln bedeckt (3). Wie jedoch aus dem Graphen in 4 hervorgeht, der die Änderung des Absorptionsspektrums vor und nach gepulster Laserbestrahlung zeigt, weisen die agglomerierten Partikel nahezu keine Lichtabsorptivität in der sichtbaren Region auf.

Bei dem Element gemäß vorliegender Erfindung kann das Element der Platinmetallgruppe eine einfache Substanz oder eine Legierung sein. Zum Zweck der Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Ultradünnfilms oder seiner Haftfestigkeit an dem Transparentfilm ist es ferner möglich, eine Legierung mit einem Hartmaterial wie Nickel als Materialien, welche den Ultradünnfilm bilden, zu verwenden.

Die folgende Beschreibung diskutiert die detaillierte Struktur des Reflektanzkontroll-Optikelementes und des Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselementes gemäß vorliegender Erfindung.

<Dicke des Transparentfilms>

Die wellenlängenabhängige Reflektanz des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung ändert sich in Abhängigkeit von der Dicke des Transparentfilms 2. 5 ist ein Graph, der die Reflektanz des Elementes zeigt, wenn Silber für das Substrat verwendet wird, PVA (Polyvinylalkohol) für den Transparentfilm verwendet wird, Platin für den Ultradünnfilm verwendet wird, die Dicke des Transparentfilms 2,6 &mgr;m beträgt und die Dicke des Ultradünnfilms 5 nm beträgt. Verglichen mit dem Fall, in dem das Element nur aus dem Substrat besteht, aus dem Substrat und dem Transparentfilm besteht oder aus dem Substrat und dem Ultradünnfilm besteht, wird die Reflektanz nur in dem Falle signifikant verändert, in dem das Element aus den drei Lagen von dem Substrat, dem Transparentfilm und dem Ultradünnfllm besteht, und weist einen Maximalwert und einen Minimalwert in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes auf.

Ein Graph der Reflektanz, die erhalten wird, wenn in der obigen Bedingung die Dicke des Transparentfilms zu 0,5 &mgr;m gesetzt ist, ist in 6 gezeigt. Ferner ist ein Graph der Reflektanz, die erhalten wird, wenn die Dicke des Transparentfilms zu 90 nm gesetzt ist, in 7 gezeigt. Es wird bestätigt, dass eine geringere Dicke des Transparentfilms in einen größeren Zyklus des Maximal- und Minimalwertes der Reflektanz resultiert. Ferner korrespondiert dieses Resultat sehr gut zu dem Resultat der von dem betreffenden Erfinder durchgeführten Simulation. Anders ausgedrückt, durch richtiges Setzen der Dicke des Transparentfilms ist es möglich, ein Reflektanzkontroll-Optikelement zu gestalten, dessen Reflektanz bei einer gewünschten Wellenlänge scharf abfällt.

<Brechungsindex des Transparentfilms>

Es wurde eine Simulation durchgeführt, um den Einfluss des Brechungsindex des Transparentfilms auf die wellenlängenabhängige Reflektanzänderung zu untersuchen. Als das Substrat wird Silber verwendet, und es wurde ein Ultradünnfilm von Platin mit einer Dicke von 5 nm verwendet, und der Brechungsindex und die Dicke des Transparentfilms wurden geändert, um den Brechungsindex über die gesamte sichtbare Region zu erniedrigen. 8 ist ein Graph, der die Reflektanz für diesen Fall zeigt. Es wird gezeigt, dass die Änderung der Reflektanz in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts kontrolliert werden kann durch Vermindern der Dicke des Transparentfilms gemeinsam mit der Erhöhung des Brechungsindex des Transparentfilms. Ferner wird bestätigt, dass ein Transparentfilm mit einem relativ kleinen Brechungsindex bevorzugt verwendet wird, um die Reflektanz so stark wie möglich über den weitest möglichen Wellenlängenbereich zu vermindern.

<Dicke des Ultradünnfilms>

Als nächstes wurde ein Experiment durchgeführt, um zu untersuchen, wie die Dicke des Ultradünnfilms die Verminderung der Reflektanz beeinflusste. Ein Substrat, bestehend aus Silber, und ein Transparentfilm, bestehend aus Spin-on-Glas (Brechungsindex n ≈ 1,3 bis 1,5), mit einer Dicke von 80 nm, wurden verwendet, und die Dicke eines Ultradünnfilms (Platin) wurde in einem Bereich von 3 bis 10 nm geändert. Die Resultate sind in 9 gezeigt. In 9 nimmt die Dicke des Ultradünnfilms in der Reihenfolge der Nummern 1 bis 7 ab. Dieses Resultat bestätigt, dass das Vorhandensein eines Ultradünnfilms mit einer Dicke von einigen Nanometern eine signifikante Verminderung der Reflektanz bewirkt. Weiter: unter zusätzlicher Berücksichtigung der Simulationsergebnisse, die nicht gezeigt sind, wird bestätigt, dass die Reflektanz insgesamt eine Tendenz zur Zunahme zeigt in den Fällen, in denen der Ultradünnfilm zu dick oder zu dünn ist. Ferner wird bestätigt, dass die Reflektanz auf dem Minimalniveau ist, wenn die Dicke ungefähr in dem Bereich von einigen Nanometern bis einigen zehn Nanometern angesiedelt ist. Wenn eine meistbevorzugte Dicke des Ultradünnfilms zum Zulassen, dass die Reflektanz bei einer bestimmten Welle den niedrigsten Wert aufweist, allgemein ausgedrückt wird durch eine Lichttransmissivität in der Dickenrichtung, so wird bestätigt, dass die Dicke vorzugsweise so gestaltet ist, dass die Lichttransmissivität des Ultradünnfilms bei einer gegebenen Wellenlänge in den Bereich von 30 bis 60 % fällt.

<Farbstoff-Ultradünnfilm>

Ein Farbstoff kann als ein Material für den Ultradünnfilm an Stelle von Metallnanopartikeln verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung ist der Farbstoff nicht auf diejenigen begrenzt, die allgemein als ein Farbstoff bezeichnet werden, sondern bezieht sich auf jedes Material, welches eine Fähigkeit zur Absorption von Licht eines spezifischen Wellenlängenspektrums aufweist. Ein Kompositmaterial, welches einen Farbstoff als eine Hauptkomponente enthält, ist ebenfalls umfasst. Der Farbstoff allein verändert die Absorptivität von Licht nicht merklich, selbst wenn die Dicke eines Farbstofffilms erhöht wird. Andererseits, wenn ein Farbstoff in dem Ultradünnfilm des Elementes gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird, wird es möglich, die Lichtabsorptivität desselben signifikant zu erhöhen. 10 ist ein Graph, der die Simulationsergebnisse der Reflektanz eines Elementes zeigt, welches aus einem Substrat (Silber), einem Transparentfilm (Reflektanz: n = 1,3, Dicke: 80 nm) und einem Farbstoff-Ultradünnfilm (Dicke: 10 nm) besteht. Der Graph zeigt, dass das Vorhandensein des Transparentfilms die Reflektanz signifikant vermindert gegenüber der Reflektanz, die in dem Falle beobachtet wird, in dem das Element allein aus dem Substrat und dem Farbstoff-Ultradünnfilm besteht. Ferner ist auch in dem Falle, dass ein Farbstoff auf diese Weise in dem Ultradünnfilm verwendet wird, die Möglichkeit gegeben, die Änderung der Reflektanz durch die richtige Wahl der Dicke und dergleichen des Transparentfilms in der vorerwähnten Weise zu kontrollieren.

Es ist ferner möglich, den Ultradünnfilm mittels einer Mehrzahl von Farbstoffen, welche unterschiedliche Lichtabsorptionscharakteristika aufweisen, zu bilden. In diesem Falle können die Farbstoffe gemischt werden oder der Ultradünnfilm kann durch Laminieren von Lagen von jedem Farbstoff gebildet werden. Mit Hinblick auf die Anwendung als eine multiple Aufzeichnungslage ist die Lagenstruktur, wie die Letztere, bei der jede Farbstofflage unabhängig funktioniert, wünschenswert. Angenommen, die Dicke einer Farbstofflage betrage ca. 10 nm, so resultiert selbst das Laminieren von drei Lagen in einer Dicke von nur ca. einigen zehn Nanometern und verursacht somit kein Problem für die Transparenz des Ultradünnfilms. Als ein Beispiel hierfür zeigt der Graph in 11 die Simulationsergebnisse der Reflektanz eines Elementes, bestehend aus einem Substrat (Silber), einem Transparentfilm (Reflektanz: n = 1,3, Dicke: 80 nm) und einem Ultradünnfilm, bestehend aus Lagen von drei verschiedenen Arten von Farbstoffen, jeweils mit einer Dicke von 10 nm, laminiert auf die Oberfläche des Transparentfilms. 11 zeigt, dass das vorerwähnte Element Reflektanzcharakteristika aufweist, bei denen Reflektanzverminderungen bei der für jeden der Farbstoffe spezifischen Lichtabsorptionswellenlänge überlappt sind. Durch Nutzung dieser Technik kann ein wellenlängengemultiplextes Aufzeichnen leicht durchgeführt werden durch die richtige Wahl eines Farbstoffsystems.

[Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselement]

Wie oben beschrieben, kann das Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung die Reflektanz durch die geeignete Gestaltung seiner Struktur außerordentlich vermindern. Das heißt, es ist definitiv möglich, die Lichtabsorptivität des Ultradünnfilms signifikant zu erhöhen.

Inzwischen weisen viele der optischen Funktionsvorrichtungen, z.B. ein optischer Sensor und ein fotoelektrischer Transducer, eine laminierte Struktur auf, welche eine Fotoanregungslage (Lichtabsorptionslage) umfasst. Der Energietransfer oder der Materialtransfer infolge dessen, dass in der Lichtabsorptionslage erzeugte Nichtgleichgewichtsenergie oder Ladungsträger (Elektron oder Loch) Lagengrenzflächen überqueren, spielt eine sehr wichtige Rolle, und deshalb ist die Dicke der Lichtabsorptionslage wünschenswerterweise so klein wie möglich. Andernfalls werden diese Träger im Inneren der Lichtabsorptionslage deaktiviert, und die gewünschte Funktion wird nicht initiiert. Es gibt eine ganze Reihe von Vorrichtungen, bei denen die Dicke der Lichtabsorptionslage auf das Monomolekularlagenniveau gesetzt ist. Ein typisches Beispiel für diese Art von Vorrichtung, bei der die Lichtabsorptionslage dünn gebildet ist, umfasst eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle, welche die Lichtabsorption eines an der Titanoxidoberfläche adsorbierten Farbstoffs nutzt. Jedoch nimmt die Lichteinfang-(-absorptions-)effizienz einer Farbstofflage auf einem monomolekularen Niveau von einem hohen Niveau auf ca. einige 10 % ab infolge des kleinen Dickenniveaus. Als eine Technik zum Kompensieren dieser Situation werden einige Techniken angewendet. So wird beispielsweise bei der farbstoffsensibilisierten Solarzelle Titanoxid zu einem Aggregat von Nanopartikeln oder einem porösen Körper geformt, um eine größere effektive Oberfläche für die Farbstoffabsorption zu erhalten. Diese Technik kann jedoch in allgemeinen Anwendungen nicht immer extensiv genutzt werden, und das System ist naturgemäß kompliziert. Ferner ist die Technik teuer.

Andererseits, wenn die Lichtabsorptivität einer dünnen Lage auf einem Monomolekularlagenniveau um mehr als das Zehnfache verbessert werden kann, dann sollte die Lichteinfangeffizienz von ca. 100 % erhalten werden, und als eine Folge hiervon wird es möglich, eine optische Funktionsvorrichtung zu realisieren, welche, verglichen mit den konventionellen, eine viel einfachere Elementstruktur aufweist.

Als eine Struktur, welche die Absorptionseffizienz des Ultradünnfilms dramatisch zu verbessern vermag und mit der die vorerwähnte Problematik gelöst werden kann, hat der vorliegende Erfinder die Struktur des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung erdacht, wobei die Oberfläche des Substrats zu einem Lichtstreureflexionsfilm geformt ist. Das heißt, wie z.B. in 12 gezeigt, umfasst die Struktur ein Substrat 1, ein auf der Oberfläche eines Substrates 1 gebildeter Lichtstreureflexionsfilm 1S, ein auf dem Lichtstreureflexionsfilm 1S gebildeter Transparentfilm 2 und hierauf bereitgestellt ein Ultradünnfilm 3. Bei dieser Struktur wird vorzugsweise ein Farbstoff für den Ultradünnfilm verwendet, mit dem Ziel der Verbesserung des Lichtabsorptionsvermögens. Selbstverständlich ist die Verwendung eines Platingruppenmetalls, wie in dem vorerwähnten Reflektanzkontroll-Optikelement verwendet, möglich. Im Folgenden wird der "Ultradünnfilm" auch als "Absorptionsfilm" bezeichnet.

Bei dieser Struktur wird, wie auf der unteren Seite von 12 gezeigt, einfallendes Licht an dem Lichtstreureflexionsfilm 1S reflektiert, und der größte Teil des Lichts wird total und intern an der unteren Oberfläche des Ultradünnfilms (Absorptionslage) reflektiert. In dieser Phase wird eine abklingende Welle in dem Absorptionsfilm erzeugt. Die abklingende Welle weist eine stärkere Wechselwirkung mit den die Absorptionslage bildenden Materialien auf, verglichen mit normalem Licht, und als eine Folge davon wird die Absorptivität der Absorptionslage signifikant gesteigert. Andererseits haben die Streureflexion an dem Lichtstreureflexionsfilm 1S und die totale interne Reflexion an der Absorptionslage einen Effekt des Einfangens des Lichts im Inneren des Transparentfilms 2, und somit wird die Absorption effizienter verbessert. Ferner wird normale Absorptionsverbesserung um ungefähr das Mehrfache, welche in einer Dreilagenstruktur mit einem Transparentfilm von ca. 100 nm Dicke erzielt wird, in einem System, in dem Lichtstreuung auftritt wie oben erwähnt, immer noch aufrechterhalten. Der Verbesserungseffekt, der diese Effekte integriert, ist so signifikant, dass selbst ein Ultradünnfilm, der üblicherweise nur ca. einige Prozent an Lichtabsorptivität aufweist, mit dieser Struktur die Lichtabsorptivität um das Zehnfache oder mehr erhöhen kann.

Bei dieser Struktur hängt eine optimale Rauheit des Lichtstreureflexionsfilms 1S von der Dicke des Transparentfilms ab. Wie oben erwähnt ist zum größtmöglichen Vermindern der Reflektanz oder, anders ausgedrückt, zum Erzielen einer hohen Absorption in dem Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung der Brechungsindex des Transparentfilms 2 wünschenswerterweise so niedrig wie möglich, und für einen derartigen Brechungsindex beträgt die optimale Dicke des Transparentfilms 2 ca. 100 nm (Beschreibung folgt). Dies zeigt an, dass die obere Grenze der Rauheit des Lichtstreureflexionsfilms 1S ca. 100 nm beträgt, ausgedrückt als ein 10-Punkte-Höhe-der-Irregularitäten-(Rz-)Wert. Mehr bevorzugt wird die Rauheit des Lichtstreureflexionsfilms 1S zu ca. 20 % der Dicke des Transparentfilms 2 gesetzt. Ferner ist für effiziente Lichtstreuung in dem Lichtstreureflexionsfilm 1S ein Zyklus einer High-Low-Bildung wünschenswerterweise nahezu gleich der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Ein reflektiver Film, welcher eine solche Rauheit aufweist, kann auf relativ einfache Weise z.B. nach der Methode des DC-Sputterns hergestellt werden.

Zur effizienteren Erzeugung von Lichtstreuung innerhalb des Transparentfilms 2 zur Erhöhung der Absorptivität ist es ferner bevorzugt, wenn die Oberfläche des Transparentfilms 2 in etwa die gleiche Rauheit aufweist wie das lichtstreuende reflektive Substrat, wie in 13 gezeigt. Durch Bilden des Transparentfilms mit Spin-on-Glas (im Folgenden mit SOG abgekürzt) ist es möglich, den Transparentfilm 2 natürlicherweise mit der bevorzugten Rauheit wie oben erwähnt zu erhalten.

Das Folgende beschreibt das von dem betreffenden Erfinder durchgeführte Experiment zum Bestätigen des Lichtabsorptionsverbesserungseffektes des Reflektanzkontroll-Optikelementes mit der vorerwähnten Struktur. In diesem Beispiel wurde als der Ultradünnfilm (Absorptionslage) ein fluoreszenter organischer Farbstoff verwendet und dünn, mit einer Dicke von ca. einigen Nanometern gebildet. In diesem Fall beträgt die Lichtabsorptivität des Ultradünnfilms selbst nur weniger als einige Prozent.

Im Einzelnen wurde Rhodamin B (RhB), bei dem es sich um einen fluoreszenten organischen Farbstoff handelt, in einer 0,1 %-Polyvinylalkohollösung bei einer Konzentration von 0,05 mM gelöst, und die Lösung wurde durch Spin-Coating bei 3000 U/min auf den Transparentfilm aufgebracht. Der resultierende Ultradünnfilm hatte eine Dicke von ca. 3 nm, und die darin enthaltene Menge von getragenem RhB-Farbstoff, als die Molekülzahl pro projizierte Flächeneinheit, betrug 1,3–2,0 × 1013/cm2. Die getragene Menge fiel in beiden Fällen, in denen die Oberfläche des Transparentfilms glatt und rau war, in den oben erwähnten Bereich. Die Lichtabsorptivität des Ultradünnfilms selbst betrug ca. 1 % bei einer maximalen Absorptionswellenlänge. In dem Experiment wurde zur Bestätigung des Absorptivitätsverbesserungseffekts an Stelle einer direkten Messung der Absorptivität die Fluoreszenzintensität bei Fotoanregung unter der gleichen Bedingung gemessen.

<Vergleichsbeispiele>

Proben mit den folgenden Strukturen (a) bis (c) (14) wurden hergestellt.

  • (a) Substrat: keines, Transparentfilm: Glasträger (Dicke: fast 1 mm), Ultradünnfilm: RhB
  • (b) Substrat: hoch reflektiver Film (Ag), Transparentfilm: Glasträger, Ultradünnfilm: RhB
  • (c) Substrat: hoch reflektiver Film (Ag), Transparentfilm: SOG (Dicke: ca. 100 nm), Ultradünnfilm: RhB

Anregungslicht wurde auf jede der oben erwähnten Proben (a) bis (c) in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat eingestrahlt, und die Fluoreszenz wurde bei ca. 40 Grad zur Senkrechten auf der Ultradünnfilmseite gemessen. Die Messergebnisse sind in 15 gezeigt.

Mit der Installation des reflektiven Films wurde die Fluoreszenzintensität um das Vierfache verbessert (a → b). Die Resultate korrespondieren zu der Erwartung, dass – von der in dem Ultradünnfilm erzeugten Fluoreszenz – die in Richtung auf den reflektiven Film hin gelenkte Fluoreszenz an dem reflektiven Film reflektiert wird, und dass auch das Einfallslicht, welches durch den Ultradünnfilm passiert, ohne darin absorbiert zu werden, an dem reflektiven Film reflektiert und in dem Ultradünnfilm absorbiert wird, was zu der ungefähr vierfachen Verbesserung führt.

Ferner, wenn der Transparentfilm zu einem Ultradünnfilm mit einer Dicke von ca. 100 nm geformt wurde, wurde die Fluoreszenzintensität um ungefähr das Dreifache verbessert (b → c). Dieses Resultat demonstriert, dass die Basisstruktur des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung effektiv ist zum Verbessern der Absorptivität sowie zum Kontrollieren der Reflektanz.

Hierin hat der betreffende Erfinder die Beziehung zwischen der Fluoreszenzintensität und der Dicke des Transparentfilms (Material: SOG, Brechungsindex: bis 1,4) untersucht. Wie in 16 gezeigt, erreichte die Fluoreszenzintensität ihren Höchstwert, wenn die Dicke des Transparentfilms ca. 100 nm betrug, und die Fluoreszenzintensität nahm von diesem Höchstwert bei jeder anderen Dicke ab, unabhängig davon, ob die Dicke größer oder kleiner als 100 nm war.

<Testbeispiele>

Als nächstes wurde eine Probe mit der unten erwähnten Struktur als das Ultradünnfilm-Absorptionsverbesserungselement gemäß vorliegender Erfindung hergestellt, und die Fluoreszenz wurde auf die gleiche Weise gemessen wie in dem Vergleichsbeispiel.

  • (d) Substrat: Lichtstreureflexionsfilmsubstrat, Transparentfilm: SOG (Dicke: ca. 100 nm), Ultradünnfilm: RhB

Der Lichtstreureflexionsfilm wurde durch DC-Sputtern erzeugt unter der Bedingung, dass ein auf einem Glassubstrat deponierter Silberdünnfilm einer Plasmabestrahlung stark ausgesetzt wurde. Das Substrat erfuhr eine natürliche Erwärmung auf einen Temperaturbereich von 50 bis 100 °C durch Plasmabestrahlung während der Filmbildung, selbst ohne absichtliche Erwärmung. Eine übermäßige Erwärmung in dieser Phase kann übermäßige Oberflächenrauheit verursachen, deshalb ist Vorsicht geboten.

<Einfluss der Oberflächenrauheit des Substrats>

Die folgende Beschreibung diskutiert die Charakteristika von zwei Arten von Lichtstreureflexionsfilmen, deren Rauheiten sich signifikant voneinander unterscheiden.

Im Folgenden wird die Probe mit höherer Rauheit als Ag-SS bezeichnet, und die Probe mit niedrigerer Rauheit wird als Ag-S bezeichnet. 17 zeigt die Ergebnisse der Messung der Oberflächenrauheit des Lichtstreureflexionsfilms Ag-SS und der Oberflächenrauheit einer Oberfläche von einem SOG-Film (Transparentfilm) mit einer Dicke von 100 nm, die mittels eines Sonden-Typ-Oberflächenrauheitsmessgeräts erhalten wurden. Ferner zeigt 18 die Ergebnisse der gleichen Messung bezogen auf Ag-S.

Die oben erwähnten Rauheitsmessergebnisse demonstrieren, dass:

  • – bei der Ag-SS-Probe der Höhenunterschied des Lichtstreureflexionsfilms in etwa gleich der Dicke des Transparentfilms ist,
  • – bei der Ag-S-Probe der Höhenunterschied des Lichtstreureflexionsfilms ca. 20 % der Dicke des Transparentfilms beträgt, und
  • – bei jeder der beiden Proben Ag-SS und Ag-S die Oberflächenrauheit des Transparentfilms nicht so verschieden ist von der Oberflächenrauheit des Lichtstreureflexionsfilms und vielmehr eine Tendenz zur Zunahme beobachtet wird.

19 und 20 zeigen ein Spekularreflexionsspektrum (links) und ein Streuspektrum (rechts) von Ag-SS und Ag-S mit oder ohne das Vorhandensein des Transparentfilms. Aus diesen Graphen ist ersichtlich, dass das Vorhandensein des Transparentfilms signifikante Änderungen der Reflexionscharakteristika bewirkt. Bei Ag-SS (19) wurde die spekulare Reflektanz um 10 bis 30 % vermindert infolge des Vorhandenseins des Transparentfilms, während fast keine Änderung in der Streureflektanz beobachtet wurde. Dies weist darauf hin, dass der Teil des Lichts, der zu der Verminderung der spekularen Reflektanz korrespondiert, im Inneren des Transparentfilms eingefangen ist.

Bezüglich Ag-S (20) ohne den Transparentfilm erreichte die spekulare Reflektanz nahezu 80 % im Langwellengebiet, was auf eine kleine Rauheit und damit kleine Streuung hindeutet. Andererseits war in dem Falle, in dem der Transparentfilm vorhanden ist, die spekulare Reflektanz signifikant vermindert verglichen mit dem Fall von Ag-SS. Dies ist Evidenz für den stärkeren Lichteinfang.

Im Lichte der vorstehenden Beschreibung kann gesagt werden, dass Ag-S eine höhere Fluoreszenzintensität aufweist als AG-SS. 21 zeigt die Fluoreszenzintensität der Probe (d) (Ag-S), sowie die Fluoreszenzintensität der Proben (a) bis (c). Es wird beobachtet, dass die Fluoreszenzintensität in etwa um das Vierfache verbessert war, verglichen mit der Fluoreszenzintensität, die mit dem Reflektanzkontroll-Optikelement erhalten wird, welches die Basisstruktur (Probe (c)) gemäß vorliegender Erfindung aufweist. Dieser Verbesserungseffekt beträgt mehr als das Zehnfache derjenigen Struktur, bei der ein Ultradünnfilm einfach auf der Glasoberfläche bereitgestellt ist (Probe (a)).

Ferner war erwartungsgemäß die Fluoreszenzintensität von Ag-SS bis hin zu etwa 700 bei einem Maximum, was einen geringeren Verbesserungseffekt als für Ag-S zeigt.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Das Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung ist direkt anwendbar auf hochdichte ROM-Speicherung, weil die Reflektanz durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Ultradünnfilms signifikant verändert werden kann. Ferner zeigen große Änderungen der Reflektanz an, dass die Intensität des reproduzierenden Lichts erniedrigt werden kann. Ferner ändert sich die Reflektanz nicht so stark, selbst in dem Falle, in dem der Winkel des einfallenden Lichts bis zu ca. 40 Grad geneigt ist. Anders ausgedrückt, selbst wenn das Speichermedium leicht geneigt ist relativ zu dem einfallenden Licht, hat dies fast keinen Einfluss auf die Reflektanz, und demgemäß ist es möglich, einen Mediumsneigungskontrollmechanismus in einer Wiedergabevorrichtung beträchtlich zu vereinfachen.

Ferner ist die Herstellung digitaler Datenmedien möglich durch Ausnutzung nicht des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Ultradünnfilms, sondern der Reflektanzänderungen, die mit den Änderungen der Transparentfilmdicke verbunden sind. Wenn z.B., wie in 22 gezeigt, eine Irregularität (Pit) richtig an dem Transparentfilm des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung gebildet ist, so ändert sich die Reflektanz hauptsächlich zwischen einem konkaven Bereich und einem konvexen Bereich, wodurch es möglich wird, digitale Daten unter Ausnutzung des Reflektanzunterschieds auszulesen. Beispielsweise resultiert im Falle eines eintretenden Laserstrahls der Wellenlänge 532 nm, wie in der unteren Tabelle von 22 gezeigt, eine Dicke des Transparentfilms im Bereich von 180 ± 20 nm in 80 % Reflektanz, und eine Dicke des Transparentfilms im Bereich von 100 ± 20 nm resultiert in 10 % oder weniger Reflektanz. Dieses Resultat zeigt, dass selbst die Bildung der Irregularität mit einem niedrigen Genauigkeitsfehler von ca. ± 20 nm ausreichend praktisch ist. Ferner muss die Dicke des Ultradünnfilms nicht sehr genau sein; sie kann jeden Wert innerhalb eines Bereichs von 5 bis 10 nm annehmen. Selbstverständlich ist es möglich, die Dicke und dergleichen des Ultradünnfilms richtig einzustellen in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts.

Das Element, welches eine große Änderung in der Reflektivität in einer relativ schmalen Wellenlängenbande bewirkt (z.B. das in 5 gezeigte Element) ist als ein Reflexionsmultibandpass-Optikfilter mit geringem Energieverlust verwendbar. Ferner kann, je nach Anforderungen, das Element zusammen mit einem weiteren optischen Filter verwendet werden.

Ferner ist es mit der Verwendung des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung möglich, ein gut definiertes Interferenzmuster mit ausgezeichneter Auflösung zu erhalten, und demgemäß kann ein holographisches Speichermedium, welche für ein digitales Multiplexhologramm geeignet ist, erhalten werden.

Vor allem sollte – zum Erhalt eines Interferenzmusters mit ausgezeichneter Auflösung – der Ultradünnfilm des Reflektanzkontroll-Optikelementes gemäß vorliegender Erfindung eine Dicke von 20 nm oder weniger, oder wünschenswerterweise 10 nm oder weniger aufweisen. 23 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Interferenzmusters, erzeugt durch Interferenz von zwei gepulsten Laserstrahlen an Orten, wo ein Pt-Ultradünnfilm mit einer Dicke von ca. 5 nm vorliegt. Die Beobachtung zeigt ein Streifenmuster, bei dem sich ein agglomerierter und granulierter Teil und ein unveränderter Teil abwechseln. Es wird sichtbar, dass die Grenzflächen beider Teile schart genug sind, um ein Niveau der räumlichen Auflösung von bis zu maximal 0,1 &mgr;m aufzuweisen. Die räumliche Auflösung dieses hohen Niveaus kann erhalten werden, weil ein Platingruppenmetall als Material verwendet wird. In dem Falle, in dem Gold oder Silber als Material verwendet wird, führt die hohe thermische Leitfähigkeit unvermeidlich zu einer schlechteren räumlichen Auflösung.

Ferner, wenn die Dicke des Ultradünnfilms erhöht wird, nimmt die thermische Diffusion in dem Film zu, und deshalb ist es nicht möglich, ein günstiges Interterenzmuster zu erhalten. 24 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild, welches erhalten wird, wenn gepulste Laserbestrahlung eines Pt-Ultradünnfilms mit einer Dicke von 20 nm durchgeführt wird. Das Bild demonstriert, dass die Muster gründlich getrennt sind.

Bei dem Element gemäß vorliegender Erfindung, umfassend ein Substrat (durch Deposition aus der Dampfphase erzeugter Silberfilm), einen Transparentfilm (Brechungsindex n = bis zu 1,4, Dicke: ca. 90 nm) und einen ultradünnen Platinfilm, wurden Interferenzmuster von ca. 1000 Linien/mm durch Einstrahlung eines gepulsten Lasers mit 532 nm auf den ultradünnen Platinfilm aufgezeichnet und ihre Effizienz der Beugung erster Ordnung berechnet. Mit Hinsicht auf eine Mehrzahl von Elementen, bei denen die Dicke des Ultradünnfilms graduell verändert wurde (die Dicke des Ultradünnfilms wurde in einem Bereich von ca. 2 nm bis 20 nm geändert), wurde ein Graph erstellt, der die Beziehung zwischen der Reflektanz (horizontale Achse) vor Aufzeichnung des Interterenzmusters und der Effizienz der Beugung erster Ordnung (vertikale Achse) nach Aufzeichnung des Interterenzmusters zeigt, wie in 25 dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass die Effizienz der Beugung erster Ordnung in Verbindung mit der Zunahme der Dicke des Ultradünnfilms zunahm. Die Effizienz der Beugung erster Ordnung erhöhte sich auf ca. 8 % bei dem Element, bei dem die Reflektanz minimal war, und stieg weiter an in der Region, in der die Reflektanz im Gegenteil anstieg und ein Reflektanzverhinderungseffekt verlorenging, und bei dem Maximum überschritt die Effizienz der Beugung erster Ordnung einen Wert von 21 %.

Die vorerwähnte Intensivierung der Effizienz der Beugung erster Ordnung wurde vermutlich verursacht durch die gegenseitige Intensivierung zwischen der Phase des Reflexionsbeugungslichts von den Bereichen, in denen der Ultradünnfilm vorlag (als "Bereich A" bezeichnet), und der Phase des Beugungslichtes von dem intensivierten elektrischen Feld der Bereiche, in denen der Ultradünnfilm praktisch entfernt war (als "Bereich B" bezeichnet), in der Richtung der Beugung erster Ordnung. Um eine solche Beziehung zu etablieren, ist es wünschenswert, wenn die Phase des komplexen Reflexionskoeffizienten der Bereiche A von derjenigen der Positionen B um ca. 180° differiert.

Also wird es durch geeignete Gestaltung der Dicke des Ultradünnfilms in dem Reflektanzkontroll-Optikelement gemäß vorliegender Erfindung möglich, die hohe räumliche Auflösung während des Aufzeichnens des Interferenzmusters aufrechtzuerhalten sowie eine hohe Beugungseffizienz von ca. 10 % zu erhalten. Da in einer normalen Struktur die Beugungseffizienz bis zu ca. 2 % beträgt, ist bewiesen, dass diese Zunahme der Beugungseffizienz recht signifikant ist. Mit der Zunahme der Ultradünnfilmdicke wird es allmählich schwierig, die räumliche Auflösung des Interterenzmusters aufrechtzuerhalten, während die Beugungseffizienz weiter zunimmt. In dem Falle der Erzeugung eines holographischen Speichermediums für einige Anwendungen, z.B. einen Personalausweis, ein Beugungsgitter oder Dispersion, ist es möglich, die Beugungseffizienz auf so hoch wie 20 % zu erhöhen, weil diese Anwendungen keine sehr hohe Auflösung verlangen.

Ferner ist, wie oben erwähnt, das Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselement mit einem Ultradünnfilm bereitgestellt, welche eine extrem kleine Dicke und eine hohe Lichtabsorptivität aufweist, und ist daher direkt anwendbar als eine effiziente optische Funktionsvorrichtung, z.B. eine Solarzelle.

Das Reflektanzkontroll-Optikelement und Anwendungen hiervon gemäß vorliegender Erfindung wurden unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben; die Anwendungen sind selbstverständlich nicht auf die im Vorstehenden beschriebenen beschränkt, und es ist möglich, Modifikationen oder Änderungen, welche in den Bereich der Idee eines Elementes mit einer kontrollierbaren Reflektanz fallen, frei hinzuzufügen.

ZUSAMMENFASSUNG

Die vorliegende Erfindung stellt ein einfach strukturiertes Reflektanzkontroll-Optikelement bereit, dessen Reflektanz signifikant verändert und präzise kontrolliert werden kann. Ein Transparentfilm ist auf einem Substrat mit einer hohen Reflektanz bereitgestellt und weist ferner auf der Oberfläche einen Ultradünnfilm auf, bestehend aus einem Metalldünnfilm, bei dem Metallnanopartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 nm oder weniger benachbart zueinander oder in Kontakt miteinander vorliegen. Das Metall ist mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus einem einzelnen Platingruppenelement, einer Legierung von Platingruppenelementen und einer Legierung von einem Platingruppenelement und Nickel. Das so erhaltene Element mit einer Dreilagenstruktur weist eine Charakteristik eines scharfen Abfalls der Reflektanz des Lichts einer gegebenen Wellenlänge auf. Durch geeignete Wahl der Dicke oder des Brechungsindex des Transparentfilms, der Dicke oder der Materialien des Ultradünnfilms und dergleichen ist es möglich, die Reflektanz gemäß der Wellenlänge zu kontrollieren. Insbesondere ermöglicht es der aus einem Platingruppenelement bestehende Metalldünnfilm, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Ultradünnfilms durch gepulste Laserbestrahlung leicht zu kontrollieren. Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Lichtabsorptionsverbesserungselement in dem Ultradünnfilm bereit, welches die Reflektanzmodulationscharakteristika vorteilhaft ausnutzt.


Anspruch[de]
Ein Reflektanzkontroll-Optikelement, welches eine Änderung in der Reflektanz von Licht gemäß einer Wellenlänge zu bewirken vermag, umfassend:

ein Substrat, umfassend ein Material mit einer hohen Reflektanz;

einen Transparentfilm, umfassend ein Material mit einer Lichttransmissivität, gebildet auf einer Oberfläche des Substrats; und

einen Ultradünnfilm mit einer vorgegebenen Lichtabsorptivität, gebildet auf einer Oberfläche des Transparentfilms, wobei:

der Ultradünnfilm ein Metalldünnfilm ist, welcher aus Metallnanopartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 nm oder weniger hergestellt ist, wobei die Metallnanopartikel benachbart zueinander oder in Kontakt miteinander sind; und

das Metall mindestens ein Mitglied ist, ausgewählt aus der Gruppe, welche besteht aus einem einzelnen Platingruppenelement, einer Legierung von Platingruppenelementen und einer Legierung von einem Platingruppenelement und Nickel.
Das Reflektanzkontroll-Optikelement nach Anspruch 1, wobei:

der Ultradünnfilm eine Art von Farbstoff oder eine Mehrzahl von verschiedenen Farbstoffen umfasst.
Das Reflektanzkontroll-Optikelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

der Ultradünnfilm eine solche Dicke aufweist, dass eine Lichttransmittanz bei einer gegebenen Wellenlänge 30 bis 60 % beträgt.
Ein optisches Speichermedium, welches das Reflektanzkontroll-Optikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet. Ein optisches Speichermedium, umfassend ein Reflektanzkontroll-Optikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Unregelmäßigkeit gebildet ist durch Ändern einer Dicke des Transparentfilms. Ein optisches Speichermedium, umfassend ein Reflektanzkontroll-Optikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Interferenzmuster an dem Element gebildet sind. Ein Verfahren zum Speichern von Information, umfassend:

Verwendung eines Optikspeichermediums, welches ein Reflektanzkontroll-Optikmedium verwendet, wobei das Reflektanzkontroll-Optikmedium umfasst:

ein Substrat, umfassend ein Material mit einer hohen Reflektanz;

einen Transparentfilm, umfassend ein Material mit einer Lichttransmissivität, gebildet auf der Oberfläche des Substrats; und

einen Ultradünnfilm, gebildet auf der Oberfläche des Transparentfilms, mit einer vorgegebenen Lichtabsorptivität, bestehend aus einem Metalldünnfilm von mindestens einem Metallnanopartikel, ausgewählt aus der Gruppe, welche besteht aus einem einzelnen Platingruppenelement, einer Legierung von Platingruppenelementen und einer Legierung von einem Platingruppenelement und Nickel, wobei die Nanopartikel benachbart zueinander oder in Kontakt miteinander sind; und

gepulste Lasereinstrahlung auf einen vorgegebenen Bereich des Ultradünnfilms für Koaleszenz der Metallnanopartikel, so dass optische Information gespeichert wird.
Ein Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselement, umfassend:

ein Substrat mit einer Oberfläche aus einem Lichtstreureflexionsfilm;

einen Transparentfilm, umfassend ein Material mit einer Lichttransmissivität, gebildet auf einer Oberfläche des Substrats; und

einen Ultradünnfilm mit einer vorgegebenen Lichtabsorptivität, gebildet auf einer Oberfläche des Transparentfilms.
Das Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselement nach Anspruch 8, wobei:

der Ultradünnfilm eine Art von Farbstoff oder eine Mehrzahl von verschiedenen Farbstoffen umfasst.
Das Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselement nach Anspruch 8 oder 9, wobei:

eine Rauheit der Oberfläche des Transparentfilms im Wesentlichen die gleiche ist wie eine Rauheit des Lichtstreureflexionsfilms.
Das Ultradünnfilm-Lichtabsorptionsverbesserungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei:

die Rauheit des Lichtstreureflexionsfilms gleich oder geringer als eine Dicke des Transparentfilms ist.






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