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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」~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研)は2017年4月26日,同研究所 田中メタマテリアル研究室の田中拓男主任研究員,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が,アルミニウム(Al)薄膜で作った「メタマテリアル」で,可視光全域をカバーする「色」を作り出すことに成功したと発表した.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された.本成果は,英国のオンライン科学雑誌Scientific Reportsに掲載された(注).

 物質の色は,白色光が物質に当たり,その物質に特有の波長の光が吸収され,反射・透過された波長の光が目に入って色が見える.あるいは,物体の表面に絵の具・インク・ペンキなどを塗ることで色をつけることができる.これらの塗装材料には,ある特定波長の光を吸収する物質を含んでいるので色がついているが,強い光・高温・酸化などにより,徐々に退色してしまう問題がある.半永久的に色を保つ方法はないか?

 その解決策の一つが「メタマテリアル」という人工物質である.メタは「超越する」という意味で,nmサイズの構造を集積することで作製される.金属ナノ構造のメタマテリアルに白色光を照射すると,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」が励起される.表面プラズモンの励起はナノ構造の大きさや形によって決まり,特定の波長の光のみを選択的に吸収する.したがって,このナノ構造の大きさや形を変えることで,吸収される光の波長を制御し,一つの物質から様々な色を作り出すことができる.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あったが,表面プラズモンで吸収される光の波長が一つだけで,様々な色を作り出すことは困難であった.

 これに対し本研究チームは,二つ以上の波長域で光を吸収させるために,座布団形状のAlナノ構造を利用することを考案し,実験で実証した.先ずSi基板上に厚さ150nmのポリメチルメタクリレート(PMMA)レジストをスピン塗布し,PMMA上に四角形パターンを電子ビームリソグラフィーで描画後,その四角形上とそれ以外の部分に厚さ45nmのAl薄膜を真空蒸着した.この四角形のナノ構造を持つメタマテリアルにより,赤色から紫色まで様々な色を作り出すことに成功した.例えば,四角形の一辺の長さD=260nm,四角形間のギャップG=180nmでは青色になる.D=260~420nm,G=100~180nmの範囲で変化させ,長波長の赤色から短波長の紫色までのカラーチャートを作製した.各サイズ・各色のメタマテリアル反射率を実測すると2つの波長で極小値があり,表面プラズモン共鳴の計算機シミュレーション結果とよく一致した.

 さらに赤・緑・青のメタマテリアルを集積すると,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実現した(可視波長全域で反射率<10%).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Alで覆われ,半永久的に退色することはない.また,インクなどの塗料と比較すると,はるかに薄く(200nm程度),軽い(約500分の1の重さ)という特徴もある.

 本成果の「メタマテリアル・カラー」は半永久的に退色せず,塗料よりも極薄・超軽量であるので,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への応用が期待されるとしている.

(注)Renilkumar Mudachathi and Takuo Tanaka, "Up Scalable Full Colour Plasmonic Pixels with Controllable Hue, Brightness and Saturation", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 1199 (2017), doi: 10.1038/s41598-017-01266-6; Published online: 26 April 2017