窒化チタン薄膜を金属層として利用した金属-誘電体-金属構造における表面プラズモンポラリトンの励起·伝搬特性

摘要

最近，表面プラズモンに関する論文，国際会議等では金属窒化物薄膜(TiN, ZrN, HfN, TaN, etc.)[1]を，金や銀に代わるプラズモン材料の有力候補として取り上げている．その一つに窒化チタン(TiN)薄膜がある．例えば参考文献[2]では，プラズマアシスト真空蒸着法として，Arプラズマを発生させて反応雰囲気を生成し，真空中で加熱し蒸発させたTiとプラズマ化した窒素ガスとを反応させることで，基板上へTiNを成膜している．TiNのプラズモン材料としての特性は参考文献[3][4]の複素誘電率の波長依存性から期待でき，例えば図1に示すように誘電率の実部が可視域から近赤外域にかけて負の値を有しており，虚部は小さな値なので表面プラズモンポラリトン(Surface Plasmon Polaritons; SPP)波の減衰が比較的小さい．機械工作の分野では，TiNの用途は切削工具や機械部品などの強度や耐久性を増すための被覆コーティングが主であり，化学的に安定で耐食性や耐摩耗性に優れており，最高使用温度は一般に600°Cまでとされている．膜の硬度(Hv，室温)は1200～1900程度まで出ることが知られている．またTiNは光沢がAuに近いため，可視域の屈折率変化もAuと似た傾向を持つ．このため，研究開発中の可視光用MIMプラズモニックフィルタ[5]や走査型光学顕微鏡の光プローブ最先端のプラズモニック薄膜[6]として有効であろうと考えた．図1には他の窒化膜データの記載もあるが，Tiは融点が一番低いため本研究の第一候補とした．また，上記のような特殊な真空蒸着法の実施に手こずるようであれば，紫外パルスレーザーを用いたパルスレーザーデポジション(Pulse Laser Deposition; PLD)成膜[7]も想定している．この場合，TiNは結晶粉末の焼結体として純度や密度の高いPLDターゲットを入手し実験しやすく，蒸着法との比較検討を実施しやすい．