広報活動

Print

2017年4月26日

理化学研究所

アルミニウムのナノ構造体で「色」を作る

-半永久的に失われず塗料より軽い「メタマテリアル・カラー」-

要旨

理化学研究所(理研)田中メタマテリアル研究室の田中拓男主任研究員(光量子工学研究領域フォトン操作機能研究チーム チームリーダー)、レニルクマール・ムダチャディ国際特別研究員の研究チームは、アルミニウム薄膜で作った「メタマテリアル[1]」で、可視光全域をカバーする「色」を作り出すことに成功しました。

光の波長よりも小さいナノメートル(nm、1nmは 10億分の1m)サイズの構造体(以下、ナノ構造)を大量に集積化して自然界の物質では実現できない光学特性を持たせた人工物質をメタマテリアルと呼びます。ヒトの目は捉える光の波長の違いによって色を区別するので、ナノ構造の大きさや形を変えることでメタマテリアルが吸収する光の波長を制御すれば、さまざまな色を作り出すことができます。従来のメタマテリアルでは、吸収する光の波長が一つに限定されていたり、吸収する光の波長幅が広いためパステルカラーのような彩度の低い色しか作り出せないといった課題があり、任意の色を自在に作ることはできませんでした。

今回、研究チームは電子ビームリソグラフィー法[2]真空蒸着法[3]を用いて、シリコン基板上に厚さ150nmのポリメチルメタクリレート(PMMA)レジスト材料[4]を塗布し、PMMA上に四角形パターンを描画後、その四角形上とそれ以外の部分に厚さ45nmのアルミニウム薄膜を塗布しました。この座布団形状のナノ構造を持つメタマテリアルにより、赤色から紫色まで可視光全域をカバーする、さまざまな色を作り出すことに成功しました。さらに異なる色を出す構造を混ぜると、絵の具を混ぜたときのように色が混ざり、黒色を作り出すこともできました。有機物質である絵の具やインクの色は、強い光、高温、酸化により除々に失われます。しかし、開発したメタマテリアルの表面は比較的安定な酸化皮膜を持つアルミニウムで覆われているため、ナノ構造が破壊されない限り、半永久的に退色することはありません。また、インクなどの塗料と比較すると、はるかに薄くて軽いという特徴もあります。

研究チームが開発した「メタマテリアル・カラー」は、高解像度ディスプレイやカメラのカラーフィルターとしての利用や、光の散乱を避けたい光学機器の内壁、大型望遠鏡内の黒色塗装などの応用が期待できます。

本研究成果は、英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』(4月26日付け:日本時間4月26日)に掲載されます。

本研究の一部は、防衛装備庁「安全保障技術研究推進制度」の支援を受けて実施しました。

背景

近年、光の波長よりも小さいナノメートル(nm、1nmは 10億分の1m)サイズのナノ構造体(以下、ナノ構造)を大量に集積化することにより、光学特性を人工的に操作した物質が注目されています。このような人工物質は「メタマテリアル」と呼ばれ、自然界に存在する物質では実現できない光学特性を持っています。

私たちの目に見える光は「可視光」と呼ばれ、その波長が変わると紫・青・緑・黄・橙・赤などのように色が違って見えます。可視光の波長は、短い方(紫色)が約400nm、長い方(赤色)が約800nmです。そして太陽光のように、可視光の全ての色を含む光が「白色光」です。白色光が物質に当たると、その物質は特定の波長の光だけを吸収し、吸収されずに反射(もしくは透過)した波長の光の色が見えます。私たちが多様な色を見ることができるのは、吸収する光の波長が異なるさまざまな物質が身の周りにあるからです。もし物質が吸収する光の波長を人工的に変化させることができれば、同じ物質からさまざまな色を作り出すことができます。

メタマテリアルに白色光を照射すると、ナノ構造の作用によって金属表面の自由電子が光の電場によって振動し「表面プラズモン[5]」が励起されます。表面プラズモンの波長はナノ構造の大きさや形によって決まり、特定の波長の光だけが表面プラズモンの励起に使われるため、ある形状のナノ構造は決まった波長の光のみを選択的に吸収します。言い換えれば、メタマテリアルはナノ構造の大きさや形によって決まった波長の光しか反射しません。したがって、メタマテリアルが持つナノ構造の大きさや形を変えることで光の波長を制御し、さまざまな色を作り出すことが可能になります。

これまでも、メタマテリアルを用いて色を作り出す研究は行われてきましたが、表面プラズモンで吸収させる光の波長が一つだけでは、さまざまな色を作り出すことはできません。例えば緑色を作るには、青色と赤色の二つの光を吸収によって取り除く必要があります。また、従来の技術では吸収する光の波長幅が広く、パステルカラーのような彩度の低い色しか作り出すことができないという課題もありました。

そこで、研究チームは、二つ以上の波長域でそれぞれ独立に光を吸収させるために、座布団形状のアルミニウムナノ構造を利用することを考案しました。

研究手法と成果

研究チームが開発した自在に色を作り出すメタマテリアルの加工技術では、まず、シリコン基板の表面に電子線に感光するポリメチルメタクリレート(PMMA)レジスト材料を、スピンコーティング法[6]により厚さ150nmで均一に塗布します。その後、電子ビームリソグラフィー法を用いて、PMMA上に四角形のパターンを描画します。描画後、PMMA膜を現像すると、シリコン基板表面に四角形のレジストパターンが残ります(図1b(i))。

次に、この表面に厚さ45nmのアルミニウム薄膜を、真空蒸着法で一様に塗布します(図1b(ii))。すると、四角形のレジストパターン上にはアルミニウム薄膜が塗布され、それ以外の場所ではシリコン基板表面にアルミニウム薄膜が塗布され、座布団形状のナノ構造ができあがります(図1a(i) (ii))。この構造体に白色光を当てると、四角形のサイズに応じた波長の光が吸収されて、反射光に色がつき、それが目に見えるようになります。

開発した技術によりメタマテリアルのナノ構造を制御し、理研のロゴマークを作製しました(図2)。図2左は元の画像ファイル、図2中は作製したメタマテリアルの光学顕微鏡写真、図2右はメタマテリアルが持つナノ構造を電子顕微鏡で拡大した写真です。理研のロゴは青色と緑色の二色で構成されています。青色の部分には赤色と紫色を吸収する構造を、緑色の部分には青色と赤色を吸収する構造を作製しました。その結果、元の画像とほぼ同様の青色と緑色から構成されるロゴが再現できました。メタマテリアルのナノ構造は光の波長より小さいため、個々の四角形の構造は光学顕微鏡では見えず、一様に色を呈します。

また、メタマテリアルでカラーチャートを作製しました(図3)。図3左は、シリコン基板表面のPMMAレジストに電子ビームリソグラフィー法で四角形構造を形成しただけで、アルミニウム薄膜塗布前の光学顕微鏡写真です。ほとんど色はなく、わずかに見える色は光の回折によるものです。次に、この基板にアルミニウム薄膜を一様に塗布すると、鮮やかな色が生まれます(図3右)。波長の長い赤色から短い紫色まで、さまざまな色が再現できていることが確認できました。

絵の具で絵を描くとき、赤色と青色の絵の具を混ぜると紫色になります。そして、さらに他の色を混ぜると黒色に近づきます。開発したメタマテリアルでも同じように色を混ぜることができます。図4(c)は、赤、緑、青それぞれの色を出すナノ構造を混ぜ合わせたメタマテリアルです。図4(a)が混ぜ合わせる前の、各ナノ構成が持つ反射スペクトルで、これらの構造を図4(c)のように組み合わせて集積化すると、絵の具を混ぜ合わせたときのように黒色に見えます(図4(b))。

今後の期待

今回開発した「色」を自在に作り出すメタマテリアルの表面は、アルミニウム薄膜だけでできています。アルミニウムの表面は空気中ですぐに酸化され、厚さ数nmの酸化アルミニウムの被膜ができるため、アルミニウムはそれ以上腐食されません。すなわち、このメタマテリアルは比較的安定で、化学的もしくは物理的に破壊されない限りメタマテリアルが呈する色は失われません。

また、ナノ構造の一つの大きさは光の波長より小さく、インクを使った印刷物のドットよりもはるかに小さいサイズです。この極微細な光の色の点は、アルミニウム薄膜上であればどこにでも作製できるため、高解像度ディスプレイやカメラのカラーフィルターへの応用が期待できます。

さらに、メタマテリアルの厚みが200nm程度と非常に薄いこともこの技術の特徴です。例えば、ペンキを1m角の広さに塗ったとすると重さは約130gになりますが、メタマテリアルを同じ広さに作製すると約0.29gとなり、ペンキと比べて約500分の1の重さに軽減できます。そのため、極薄・超軽量で半永久的に色褪せない彩色が可能になります。また、軽量・高性能かつ劣化のない黒色塗装も可能となるため、光学機器の内壁だけでなく、ペンキ塗装では重さが問題となる大型望遠鏡の内壁にも、光の散乱を避けるための黒色塗装が可能になります。

原論文情報

  • Renilkumar Mudachathi and Takuo Tanaka, "Up Scalable Full Colour Plasmonic Pixels with Controllable Hue, Brightness and Saturation", Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-017-01266-6

発表者

理化学研究所
主任研究員研究室 田中メタマテリアル研究室
主任研究員 田中 拓男 (たなか たくお)
(光量子工学研究領域 フォトン操作機能研究チーム チームリーダー)
国際特別研究員 レニルクマール・ムダチャディ(Renilkumar Mudachathi)

田中拓男 主任研究員の写真

田中 拓男

レニルクマール・ムダチャディ国際特別研究員の写真

レニルクマール・ムダチャディ

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
お問い合わせフォーム

産業利用に関するお問い合わせ

理化学研究所 産業連携本部 連携推進部
お問い合わせフォーム

このページのトップへ

補足説明

  1. メタマテリアル
    光の波長よりも細かな構造を人工的に導入して、その構造と光との総合作用を利用して、実効的な物質の光学特性を人工的に操作した疑似物質。“メタ”は超越したという意味。
  2. 電子ビームリソグラフィー
    電子ビームが照射されると分解する樹脂を塗布した基板上に、電子ビームを集光して照射し、この電子ビームを任意のパターン形状に走査することでパターンを感光性樹脂上に転写する。感光性材料を写真の現像のように処理すると、電子ビームで描いた通りの樹脂パターンが基盤表面にできあがる。この樹脂パターンをそのまま利用することもできるが、この樹脂をマスクとして基盤表面をエッチングして基盤にパターンを転写することも行われる。
  3. 真空蒸着法
    真空中で物質を蒸発させて、基板表面にその物質の薄膜を付着させる薄膜作製技術の一つ。
  4. ポリメチルメタクリレート(PMMA)レジスト材料
    ポリマーの一種。PMMAの場合は、電子線を照射すると分子鎖が分解され、その後の現像プロセスによって、電子線が照射された箇所の物質が除去される。
  5. 表面プラズモン
    金属表面の自由電子の集団的な縦波振動のこと。表面プラズモンには二種類があり、平坦な金属表面を波として伝搬する伝搬型表面プラズモンと、金属のナノ構造体に局所的に励起される局在型表面プラズモンがある。本研究では、局在型表面プラズモンを利用している。
  6. スピンコーティング法
    材料を塗布する基板を高速で回転させ、そこに液状の材料を滴下して、遠心力で均一な膜厚に制御して塗布する手法。

このページのトップへ

「色」を作り出すメタマテリアルの構造図

図1 「色」を作り出すメタマテリアルの構造

  1. (i) 目的のメタマテリアル構造。
    (ii) 実際のできあがったメタマテリアルの電子顕微鏡写真。Dは260nm、Pは440nm、Gは180nmである。この構造に白色光を当てると、四角形構造のサイズに応じた波長の光が吸収されて、反射光に色が付く。この場合は青色を呈する。
  2. (i) シリコン基板の表面にポリメチルメタクリレート(PMMA)レジスト材料(青)を厚さ150nmで塗布した後、電子ビームリソグラフィー法で四角形のパターンを描画する。
    (ii) (i)の表面に厚さ45nmのアルミニウム薄膜を、真空蒸着法で塗布すると、四角形のレジストパターン上とそれ以外のシリコン基板表面にアルミニウム薄膜が塗布される。
開発したメタマテリアルで作製した理研のロゴマークの図

図2 開発したメタマテリアルで作製した理研のロゴマーク

左は理研ロゴの元画像、中はメタマテリアルで作製した理研ロゴの光学顕微鏡写真、右は中の電子顕微鏡写真。

開発したメタマテリアルで作製したカラーチャートの図

図3 開発したメタマテリアルで作製したカラーチャート

左: アルミニウム薄膜を塗布する前(電子ビームリソグラフィーで四角形構造をシリコン基板表面に形成しただけ)の光学顕微鏡写真。ほとんど色はなく、わずかに見える色は光の回折による。

右: アルミニウム薄膜の塗布後。長波長の赤色から短波長の紫色まで、さまざまな色が再現できた。ここで、一つの色は、一種類のナノ構造、すなわち一つのD(四角形の1辺の長さ)とG(間隔)の組合せでできている。

赤・緑・青のメタマテリアルの混合で実現できる黒色の図

図4 赤・緑・青のメタマテリアルの混合で実現できる黒色

(a) 赤・緑・青の各色を出すメタマテリアルの反射スペクトル。
(b) (c)のメタマテリアルの反射スペクトル。
(c) (a)の各色を出すメタマテリアルを集積して黒色になるようにしたパターンの電子顕微鏡写真。

このページのトップへ