特許 7445234 赤外線吸収体および赤外線吸収体を備えるガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-28

(45)【発行日】2024-03-07

(54)【発明の名称】赤外線吸収体および赤外線吸収体を備えるガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20240229BHJP

   G01N 21/3504 20140101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

G01N21/3504

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019028786

(22)【出願日】2019-02-20

(65)【公開番号】P2020134337

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2022-01-06

【審判番号】

【審判請求日】2023-04-26

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000190301

【氏名又は名称】新コスモス電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000112439

【氏名又は名称】フィガロ技研株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西島 喜明

(72)【発明者】

【氏名】藤 直毅

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 拓洋

(72)【発明者】

【氏名】高島 裕正

(72)【発明者】

【氏名】中尾 茂

(72)【発明者】

【氏名】上田 剛

(72)【発明者】

【氏名】井澤 邦之

(72)【発明者】

【氏名】酒井 創一朗

【合議体】

【審判長】樋口 宗彦

【審判官】櫃本 研太郎

【審判官】渡戸 正義

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０１０４１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１１／０２７８３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１７３３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３２２０７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｎｉｓｈｉｊｉｍａ ｅｔ．ａｌ．，Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ Ｍｅｔａｌ ａｎｄ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｐｅｒｆｅｃｔ Ａｂｓｏｒｂｅｒ Ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，ＡＣＳ Ａｐｐｌ． Ｎａｎｏ Ｍａｔｅｒ．，２０１８年，Ｖｏｌ．１，Ｐ．３５５７－３５６４

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G01N 21/00-21/01

G01N 21/17-21/61

G01J 1/02

ＪＤｒｅａｍＩＩＩ、ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外線を吸収または放射することが可能な赤外線吸収体であって、
前記赤外線吸収体が、
前記赤外線を反射する金属層と、
前記金属層の上層の全面に設けられる誘電体層と、
前記誘電体層の上層に互いに間隔を空けて設けられる複数の金属ナノ構造体とを備え、
前記誘電体層が、２０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の膜厚を有し、
前記金属ナノ構造体が、金、銀、銅、白金、パラジウムからなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成され、
前記複数の金属ナノ構造体のそれぞれの互いの間隔が、５００ｎｍ以下であり、
前記金属ナノ構造体が、３０ｎｍ～１００ｎｍの膜厚を有する、
赤外線吸収体。

【請求項2】

前記金属層が、金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウムからなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成される、
請求項１に記載の赤外線吸収体。

【請求項3】

前記誘電体層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、シリコン、酸化ジルコニウム、酸化チタンからなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成される、
請求項１または２に記載の赤外線吸収体。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の赤外線吸収体を備えるガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、赤外線吸収体および赤外線吸収体を備えるガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

赤外線を吸収または放射することが可能な赤外線吸収体として、たとえば特許文献１には、ＴｉＮを含む第１の層と、Ｓｉ系化合物を含み、第１の層上に設けられた第２の層とを有する赤外線吸収体が開示されている。特許文献１の赤外線吸収体は、短波長側の赤外線の吸収率の高い第１の層と、長波長側の赤外線の吸収率の高い第２の層とを積層することで、広い波長域に亘って効率よく赤外線を吸収することができる。この赤外線吸収体は、赤外線を吸収して熱を発生するものとして特許文献１に開示されているが、熱を加えることで赤外線を放出することも可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－１９８８５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、特許文献１の赤外線吸収体は、第１および第２の層において赤外線を吸収するように構成されているので、赤外線の吸収率を上げるためには、単純に第１および第２の層の膜厚を大きくする以外にない。第１および第２の層の膜厚を大きくすればするほど、第１および第２の層を均一に形成することが難しくなる。

【0005】

本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、膜厚を大きくすることなく赤外線を吸収または放射することが可能な赤外線吸収体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の赤外線吸収体は、赤外線を吸収または放射することが可能な赤外線吸収体であって、前記赤外線吸収体が、前記赤外線を反射する金属層と、前記金属層の上層に設けられる誘電体層と、前記誘電体層の上層に互いに間隔を空けて設けられる複数の金属ナノ構造体とを備え、前記誘電体層が、１００ｎｍ以下の膜厚を有し、前記金属ナノ構造体が、３０ｎｍ～１００ｎｍの膜厚を有することを特徴とする。

【0007】

また、前記複数の金属ナノ構造体のそれぞれの互いの間隔が、５００ｎｍ以下であることが好ましい。

【0008】

また、前記金属層が、金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウムからなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成され、前記金属ナノ構造体が、金、銀、銅、白金、パラジウムからなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることが好ましい。

【0009】

また、前記誘電体層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、シリコン、酸化ジルコニウム、酸化チタンからなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることが好ましい。

【0010】

本発明のガスセンサは、前記赤外線吸収体を備えるガスセンサであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、膜厚を大きくすることなく赤外線を吸収または放射することが可能な赤外線吸収体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る赤外線吸収体を備えるガスセンサを含むガス検知器の模式図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る赤外線吸収体を模式的に示す斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る赤外線吸収体を模式的に示す上面図である。

【図4】図３のＩＶ－ＩＶ線断面図およびその部分拡大図である。

【図5】赤外線吸収体の金属ナノ構造体の直径を変化させたときの赤外線反射スペクトルの変化を示す図である。

【図6】赤外線吸収体の金属ナノ構造体同士の間隔と赤外線最小反射率の関係を示す図である。

【図7】赤外線吸収体の金属ナノ構造体の膜厚と赤外線最小反射率の関係を示す図である。

【図8】赤外線吸収体の誘電体層の膜厚と赤外線最小反射率の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る赤外線吸収体および赤外線吸収体を備えるガスセンサを説明する。ただし、以下の実施形態は一例にすぎず、本発明の赤外線吸収体およびガスセンサは以下の実施形態に限定されるものではない。

【0014】

本実施形態の赤外線吸収体は、赤外線を吸収または放射することが可能な赤外線吸収体である。赤外線吸収体は、特に限定されることはなく、たとえば、赤外線を吸収するという性質を利用して赤外線検出器に用いることが可能であり、また、赤外線を放射するという性質を利用して赤外線放射源に用いることも可能である。以下では、赤外線吸収体を、ガス検知器に備えられるガスセンサの赤外線検出器に適用した例を挙げて説明する。ただし、赤外線吸収体は、赤外線検出器に限定されることはなく、赤外線放射源である光源にも適用可能である。

【0015】

ガス検知器Ｍは、検知対象ガスを検知するために用いられる。ガス検知器Ｍは、図１に示されるように、検知対象ガスを検知するガスセンサＮを備えている。ガス検知器Ｍは、任意で、ガスセンサＮを操作するための操作部Ｍ１（たとえば操作ボタンなど）と、ガスセンサＮにより得られる検知結果を表示する表示部Ｍ２（たとえば液晶ディスプレイなど）とを備えている。ガス検知器Ｍは、内部バッテリまたは外部電源などの図示しない電源から電力が供給されて作動する。

【0016】

ガス検知器Ｍの検知対象ガスは、ガス検知器Ｍにより検知対象となるガスである。検知対象ガスとしては、特に限定されることはなく、たとえば、メタン、ブタン、イソブタン、水、アンモニア、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素、亜酸化窒素、アセトン、オゾン、六フッ化硫黄、オクタフルオロシクロペンテン、ヘキサフルオロ１、３ブタジエンなど、赤外線の波長領域において吸収ピークを有するガスが例示される。

【0017】

ガスセンサＮは、光Ｌを検知対象ガスに照射して、検知対象ガスによって吸収された赤外線の吸収強度（減衰強度）を測定することで、検知対象ガスを検知する。ガスセンサＮは、たとえば、公知の非分散型赤外線分析（ＮＤＩＲ）式として構成することができる。ガスセンサＮは、本実施形態では、図１に示されるように、内部空間Ｖを有する筐体Ｎ１と、筐体Ｎ１の内部に光Ｌを放射する光源Ｎ２と、光源Ｎ２からの光Ｌを反射する反射構造体Ｎ３と、光Ｌを検出する光検出部Ｎ４と、光源Ｎ２および光検出部Ｎ４を制御する回路部Ｎ５とを備えている。ガスセンサＮは、光源Ｎ２、反射構造体Ｎ３、光検出部Ｎ４および回路部Ｎ５が筐体Ｎ１に一体となって設けられ、単体として取扱い可能なモジュールを形成している。しかし、ガスセンサＮは、たとえば回路部Ｎ５が筐体Ｎ１とは別に設けられてもよく、その構成は図示された例に限定されない。

【0018】

筐体Ｎ１は、本実施形態では、光源Ｎ２、反射構造体Ｎ３、光検出部Ｎ４および回路部Ｎ５を収容し、内部空間Ｖに検知対象ガスが供給される部材である。筐体Ｎ１は、図１に示されるように、光源Ｎ２と光検出部Ｎ４とを結ぶ方向（図１中、左右方向）に延びる筒状に形成され、その内部に内部空間Ｖが設けられる。また、筐体Ｎ１は、内部空間Ｖ内に検知対象ガスを導入するガス導入部（図示せず）と、内部空間Ｖから検知対象ガスを排出するガス排出部（図示せず）とを備えている。筐体Ｎ１では、ガス導入部から検知対象ガスが導入されて、内部空間Ｖ内に検知対象ガスが供給されて、ガス排出部から検知対象ガスが排出される。筐体Ｎ１は、特に限定されることはなく、たとえば樹脂材料などにより形成される。筐体Ｎ１は、本実施形態では一方向に延びる筒状に形成されているが、略直方体形状など他の形状に形成されてもよい。

【0019】

光源Ｎ２は、検知対象ガスを検知するために利用可能な光Ｌを放射する。光源Ｎ２により放射される光Ｌは、少なくとも検知対象ガスの吸収スペクトルにおける吸収ピークの波長を有する光を含んでいればよく、その波長の単色光であっても、その波長を含む広い波長範囲の光であってもよい。光源Ｎ２は、図１に示されるように、回路部Ｎ５に通信可能に接続されて、回路部Ｎ５によってその出力が制御される。光源Ｎ２としては、たとえば、赤外線吸収体１を赤外線発光源として採用することもできるし、公知の発光ダイオード（ＬＥＤ）や赤外線ランプを採用することもできる。光源Ｎ２は、たとえば、連続光やパルス光を放射する。

【0020】

反射構造体Ｎ３は、筐体Ｎ１の内部空間Ｖ内において、光源Ｎ２から放射された光Ｌ、または他の反射構造体Ｎ３から反射された光Ｌを反射して、さらに他の反射構造体Ｎ３、または光検出部Ｎ４に光Ｌを導く。反射構造体Ｎ３は、本実施形態では、図１に示されるように、内部空間Ｖに隣接する筐体Ｎ１の内面に設けられる。反射構造体Ｎ３としては、たとえば、公知の反射鏡を採用することもできるし、赤外線吸収体１を採用することもできる。赤外線吸収体１は、光Ｌを反射するとともに、局在表面プラズモン共鳴を介して、検知対象ガスによる光Ｌの吸収を促進することも可能にする。

【0021】

光検出部Ｎ４は、光Ｌを検出して、光Ｌの強度を測定する。光検出部Ｎ４は、本実施形態では、図１に示されるように、光源Ｎ２から放射されて筐体Ｎ１の内部空間Ｖ内を伝搬した後の光Ｌを検出する。光検出部Ｎ４は、光源Ｎ２から放射された光Ｌ、および／または反射構造体Ｎ３から反射された光Ｌを検出するように位置合わせされる。光検出部Ｎ４は、赤外線を吸収する赤外線吸収体１と、赤外線吸収体１からの熱を電気信号に変換する熱電変換素子Ｔとを備えている。光検出部Ｎ４は、光Ｌに含まれる赤外線を赤外線吸収体１により吸収し、赤外線を吸収することにより赤外線吸収体１に生じる熱を熱電変換素子Ｔにより電気信号に変換する。光検出部Ｎ４は、回路部Ｎ５に通信可能に接続されて、変換した電気信号を回路部Ｎ５に送信する。熱電変換素子Ｔとしては、特に限定されることはなく、Ｂｉ₂Ｔｅ₃、ＰｂＴｅなど、熱を電気信号に変換可能な公知の熱電材料により形成することができる。赤外線吸収体１の詳細については後述する。

【0022】

回路部Ｎ５は、図１に示されるように、光源Ｎ２および光検出部Ｎ４に通信可能に接続され、光源Ｎ２および光検出部Ｎ４を制御する。また、回路部Ｎ５は、光源Ｎ２から放射された光Ｌの強度と、光検出部Ｎ４により測定された光Ｌの強度とを比較することで、検知対象ガスの有無を判定し、あるいは検知対象ガスの濃度を算出する。回路部Ｎ５は、たとえば公知の中央演算処理装置（ＣＰＵ）により構成することができる。

【0023】

赤外線吸収体１は、図２～図４に示されるように、赤外線を反射する金属層２と、金属層２の上層に設けられる誘電体層３と、誘電体層３の上層に互いに間隔ｄ２を空けて設けられる複数の金属ナノ構造体４とを備えている。赤外線吸収体１は、赤外線の照射により局在表面プラズモン共鳴を生じさせることにより、赤外線を吸収する。赤外線吸収体１は、局在表面プラズモン共鳴を利用することにより、膜厚を大きくすることなく赤外線を吸収することができる。赤外線吸収体１は、赤外線を吸収することで熱を発生させるが、逆に熱を加えることで、赤外線を放射することができる。赤外線吸収体１は、本実施形態では、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂など）、ガラスなどの基板Ｓ上に設けられ、下方から基板Ｓに支持される。ただし、赤外線吸収体１は、図示された例に限定されることはなく、基板Ｓにより下方から支持されるのではなく、たとえば、メンブレン構造などのように、側方から支持されてもよい。

【0024】

金属層２は、表面側（金属ナノ構造体４が設けられる側）から照射される赤外線を反射する。金属層２は、図２および図４に示されるように、基板Ｓ上に設けられ、上層に誘電体層３が設けられる。金属層２は、特に限定されることはなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着など、公知の成膜手法により形成することができる。

【0025】

金属層２は、少なくとも赤外線を反射させることができればよく、その構成は特に限定されることはないが、赤外線を反射させるとともに、赤外線の透過を抑制するという観点から、赤外線反射率が赤外線透過率よりも高くなるように構成されることが好ましい。金属層２の膜厚は、赤外線を反射させるとともに、赤外線の透過を抑制するという観点から、たとえば、１００ｎｍ以上が好ましく、１５０ｎｍ以上がより好ましく、２００ｎｍ以上がよりさらに好ましい。

【0026】

金属層２は、少なくとも赤外線を反射することができればよく、その構成金属は特に限定されない。金属層２は、たとえば、赤外線に対する反射率の高い金属により構成されることが好ましく、その観点から、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることが好ましい。金属層２は、赤外線検出器や光源などに利用することを考慮すると、表面の化学的安定性の観点から、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることがより好ましい。表面の化学的安定性の観点からは、金（Ａｕ）が最も好ましい。

【0027】

誘電体層３は、赤外線を透過させつつ、金属層２上で金属ナノ構造体４を支持する。誘電体層３は、図２および図４に示されるように、金属層２の上層に設けられ、その上層に金属ナノ構造体４が設けられる。誘電体層３は、特に限定されることはなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着など、公知の成膜手法により形成することができる。

【0028】

誘電体層３は、赤外線を透過させ、金属ナノ構造体４を支持することができれば、特に限定されることはないが、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂など）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃など）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄など）、シリコン（Ｓｉ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂など）、酸化チタン（ＴｉＯ₂など）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成することができる。誘電体層３は、金属ナノ構造体４で生じる局在表面プラズモンの消失を抑制するという観点から、酸化シリコン（ＳｉＯ₂など）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃など）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄など）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることがより好ましい。

【0029】

誘電体層３は、赤外線を透過させ、金属ナノ構造体４を支持することができれば、その膜厚は特に限定されることはない。しかしながら、本発明者らは、鋭意検討した結果、誘電体層３の膜厚ｄ３を１００ｎｍ以下とすることにより、赤外線吸収体１による赤外線の吸収率を大幅に向上させることができることを見出した。これは、誘電体層３の膜厚ｄ３が１００ｎｍ以下であることで、金属ナノ構造体４により生じる局在表面プラズモン共鳴を増強することができ、それによって赤外線の吸収率を大幅に向上させるからであると考えられる。赤外線吸収体１は、赤外線の吸収率を高めるという観点から、誘電体層３の膜厚ｄ３が１００ｎｍ以下であることが好ましく、９０ｎｍ以下であることがより好ましく、８０ｎｍ以下であることがよりさらに好ましい。また、赤外線吸収体１は、金属ナノ構造体４で生じる局在表面プラズモンが金属層２により影響を受けて消失するのを抑制するという観点から、誘電体層３の膜厚ｄ３が１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましく、３０ｎｍ以上であることがよりさらに好ましい。

【0030】

金属ナノ構造体４は、共鳴条件を満たす赤外線に対して局在表面プラズモン共鳴を生じさせる構造体である。金属ナノ構造体４に赤外線が照射されると、金属ナノ構造体４の表面において自由電子のプラズモン振動が励起され、金属ナノ構造体４内で自由電子の粗密が生じることで、金属ナノ構造体４に分極状態が生じる。照射される赤外線の波長と金属ナノ構造体４の誘電率とが互いに共鳴条件を満足するとき、赤外線によって金属ナノ構造体４に生じる分極が非常に大きくなって、金属ナノ構造体４に局在表面プラズモン共鳴が生じる。赤外線吸収体１は、金属ナノ構造体４において局在表面プラズモン共鳴が生じることによって、共鳴条件を満たす赤外線の吸収率が高くなる。

【0031】

金属ナノ構造体４は、図２に示されるように、誘電体層３の上層（赤外線を含む光Ｌが照射される表面側）に、それぞれが所定の形状および大きさを有する粒子状構造体として、複数形成される。複数の金属ナノ構造体４はそれぞれ、最も近接する他の金属ナノ構造体４との間に所定の間隔ｄ２を空けて設けられる。

【0032】

金属ナノ構造体４の形状および大きさは、特に限定されることはなく、赤外線を照射したときに金属ナノ構造体４に局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように適宜設定することができる。形状に関しては、金属ナノ構造体４の形状に応じて局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が変化し、たとえば棒状や板状とすることで、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が長波長側にシフトする。したがって、金属ナノ構造体４は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせて吸収率を高めようとする赤外線の波長に応じて、本実施形態のように略円板状や、その他にも略矩形板状、略半球状、略棒状など任意の形状を選択することができる。また、大きさに関しては、金属ナノ構造体４の大きさに応じて局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が変化し、たとえば誘電体層３の表面内での大きさ（本実施形態では金属ナノ構造体４の直径ｄ１）が大きくなると、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が長波長側にシフトする。したがって、金属ナノ構造体４は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせて吸収率を高めようとする赤外線の波長に応じて、その大きさを適宜選択することができる。

【0033】

例として、略円板状である金属ナノ構造体４の直径ｄ１を変化させたときの赤外線反射スペクトルの変化を図５に示す。図５に見られるように、金属ナノ構造体４の直径ｄ１が４００ｎｍから８００ｎｍに増加するに伴って、赤外線の反射ディップ（吸収ピーク）が長波長側にシフトする。このことから、金属ナノ構造体４の直径ｄ１を適宜選択することにより、吸収される赤外線の吸収波長を任意に選択することができることが分かる。

【0034】

金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４は、赤外線を照射したときに金属ナノ構造体４に局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように設定されていればよく、特に限定されることはない。しかしながら、本発明者らは、鋭意検討した結果、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４を３０ｎｍ～１００ｎｍとすることにより、赤外線吸収体１による赤外線の吸収率を大幅に向上させることができることを見出した。これは、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が３０ｎｍ～１００ｎｍであることで、金属ナノ構造体４により生じる局在表面プラズモン共鳴を増強することができ、それによって赤外線の吸収率を大幅に向上させるからであると考えられる。赤外線吸収体１は、赤外線の吸収率を高めるという観点から、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が３０ｎｍ～１００ｎｍであることが好ましく、３５ｎｍ～７５ｎｍであることがより好ましく、４０ｎｍ～７０ｎｍであることがよりさらに好ましい。

【0035】

金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２は、金属ナノ構造体４で生じる局在表面プラズモンが隣接する金属ナノ構造体４により影響を受けて消失するのが抑制される範囲で設定されていればよく、特に限定されることはない。しかしながら、本発明者らは、鋭意検討した結果、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２を５００ｎｍ以下とすることにより、赤外線吸収体１による赤外線の吸収率を大幅に向上させることができることを見出した。これは、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が５００ｎｍ以下であることで、金属ナノ構造体４により生じる局在表面プラズモン共鳴を増強することができ、それによって赤外線の吸収率を大幅に向上させるからであると考えられる。赤外線吸収体１は、赤外線の吸収率を高めるという観点から、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が５００ｎｍ以下であることが好ましく、４５０ｎｍ以下であることがより好ましく、４００ｎｍ以下であることがよりさらに好ましい。また、赤外線吸収体１は、金属ナノ構造体４で生じる局在表面プラズモンが隣接する金属ナノ構造体４により影響を受けて消失するのを抑制するという観点から、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましく、３０ｎｍ以上であることがよりさらに好ましい。

【0036】

金属ナノ構造体４は、所定の形状および大きさを有することにより、照射される赤外線により局在表面プラズモン共鳴を生じる金属により構成されていれば、その構成金属は特に限定されない。金属ナノ構造体４は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成される。金属ナノ構造体４は、赤外線検出器や光源などに利用することを考慮すると、表面の化学的安定性の観点および局在表面プラズモン共鳴による赤外線の吸収率を高めるという観点から、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることがより好ましい。表面の化学的安定性の観点からは、金（Ａｕ）が好ましく、局在表面プラズモン共鳴による赤外線の吸収率を高めるという観点からは、銀（Ａｇ）が好ましい。

【実施例】

【0037】

以下、実施例をもとに、本実施形態の赤外線吸収体を説明する。ただし、本発明の赤外線吸収体は、以下の実施例に限定されることはない。

【0038】

（赤外線吸収体）
赤外線吸収体として、図２～図４に示される赤外線吸収体１を作製した。作製した赤外線吸収体の各構成要素の作製条件は、以下の通りであった。
基板Ｓ：ガラス
金属層２：Ａｕ、２００ｎｍ（膜厚）、抵抗加熱蒸着（成膜方法）
誘電体層３：ＳｉＯ₂、１０ｎｍ～１１０ｎｍ（膜厚ｄ３）、電子線蒸着（成膜方法）
金属ナノ構造体４：Ａｕ、４００ｎｍ～８００ｎｍ（直径ｄ１）、１００ｎｍ～１２００ｎｍ（間隔ｄ２）、２０ｎｍ～１００ｎｍ（膜厚ｄ４）、電子線リソグラフィー＋抵抗加熱蒸着（成膜方法）

【0039】

（赤外線反射スペクトルの測定）
上述した赤外線吸収体に対して、赤外線反射スペクトルを測定することにより、赤外線吸収体による赤外線の吸収率を評価した。赤外線反射スペクトルの測定は、赤外線吸収体の表面に対して略垂直に赤外線を照射し、赤外線吸収体の表面に対して略垂直に反射した赤外線の反射率を測定することにより行なった。また、赤外線の最大吸収率を評価するために、赤外線反射スペクトルに現れる反射ディップにおける最小の反射率を赤外線最小反射率として求めた。

【0040】

（金属ナノ構造体４の直径ｄ１と赤外線反射ディップの関係）
図５に、略円板状である金属ナノ構造体４の直径ｄ１を変化させたときの赤外線反射スペクトルの変化を示す。このときの赤外線吸収体１は、誘電体層３の膜厚ｄ３が９０ｎｍ、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が５０ｎｍであった。図５に見られるように、金属ナノ構造体４の直径ｄ１が４００ｎｍから８００ｎｍに増加するに伴って、赤外線の反射ディップ（吸収ピーク）が長波長側にシフトする。このことから、金属ナノ構造体４の直径ｄ１を適宜選択することにより、吸収される赤外線の吸収波長を任意に選択することができることが分かる。

【0041】

（金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２と赤外線最小反射率の関係）
図６に、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２と赤外線最小反射率の関係を表すグラフを示す。このときの赤外線吸収体１は、誘電体層３の膜厚ｄ３が３０ｎｍ、金属ナノ構造体４の直径ｄ１が４００ｎｍ、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が５０ｎｍであった。図６に見られるように、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２の減少に伴って、赤外線最小反射率が減少する。そして、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が５００ｎｍ以下になると、４０％以下という低い赤外線最小反射率を示し、間隔ｄ２が４５０ｎｍ、４００ｎｍと減少するに従って赤外線最小反射率がさらに減少する。このことから、赤外線吸収体１において十分低い赤外線最小反射率（十分高い赤外線吸収率）を得るためには、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が、５００ｎｍ以下であることが好ましく、４５０ｎｍ以下であることがより好ましく、４００ｎｍ以下であることがよりさらに好ましいことが分かる。

【0042】

（金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４と赤外線最小反射率の関係）
図７に、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４と赤外線最小反射率の関係を表すグラフを示す。このときの赤外線吸収体は、誘電体層３の膜厚ｄ３が５０ｎｍ、金属ナノ構造体４の直径ｄ１が８００ｎｍ、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が４００ｎｍであった。図７に見られるように、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が５０ｎｍ以下の領域では、膜厚ｄ４の増加に伴って赤外線最小吸収率が減少する。特に、膜厚ｄ４が３０ｎｍ以上になると、４０％以下という低い赤外線最小反射率を示し、膜厚ｄ４が３５ｎｍ、４０ｎｍと増加するに従って赤外線最小反射率がさらに減少する。このことから、十分低い赤外線最小反射率（十分高い赤外線吸収率）を得るためには、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が、３０ｎｍ以上であることが好ましく、３５ｎｍ以上であることがより好ましく、４０ｎｍ以上であることがよりさらに好ましいことが分かる。また、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が５０ｎｍ以上の領域では、赤外線最小反射率は、膜厚ｄ４が５０～７０ｎｍでほぼ一定で、膜厚７０ｎｍを超えるとわずかに増加し、膜厚ｄ４が８０ｎｍでこの領域での最大値を示し、膜厚ｄ４が８０ｎｍを超えるとわずかに減少する。金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が５０ｎｍ～１００ｎｍの領域では、いずれも赤外線最小反射率が４０％以下であるので、十分低い赤外線反射率が得られている。以上の結果から、赤外線吸収体１は、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が１００ｎｍ以下で十分低い赤外線最小反射率（十分高い赤外線吸収率）を得ることができ、さらに低い赤外線最小反射率（十分高い赤外線吸収率）を得るためには、膜厚ｄ４が７５ｎｍ以下であることがより好ましく、７０ｎｍ以下であることがよりさらに好ましいことが分かる。

【0043】

（誘電体層３の膜厚ｄ３と赤外線最小反射率の関係）
図８に、誘電体層３の膜厚ｄ３と赤外線最小反射率の関係を表すグラフを示す。このときの赤外線吸収体は、金属ナノ構造体４の直径ｄ１が４００ｎｍ、金属ナノ構造体４同士の間隔ｄ２が２００ｎｍ、金属ナノ構造体４の膜厚ｄ４が５０ｎｍであった。図８に見られるように、赤外線最小反射率は、誘電体層３の膜厚ｄ３が１００ｎｍにおいて概ね４０％と十分低い値であり、膜厚ｄ３の減少に伴ってさらに減少する。特に、赤外線最小反射率は、膜厚ｄ３が１００ｎｍから９０ｎｍに減少するとわずかに減少し、膜厚ｄ３が９０ｎｍから８０ｎｍに減少すると大きく減少し、膜厚ｄ３が８０ｎｍ以下に減少するとわずかに減少する。以上の結果から、十分低い赤外線最小反射率（十分高い赤外線吸収率）を得るためには、誘電体層３の膜厚ｄ３が１００ｎｍ以下であることが好ましく、９０ｎｍ以下であることがより好ましく、８０ｎｍ以下であることがよりさらに好ましいことが分かる。

【符号の説明】

【0044】

１ 赤外線吸収体
２ 金属層
３ 誘電体層
４ 金属ナノ構造体
ｄ１ 金属ナノ構造体の直径
ｄ２ 金属ナノ構造体同士の間隔
ｄ３ 誘電体層の膜厚
ｄ４ 金属ナノ構造体の膜厚
Ｌ 光
Ｍ ガス検知器
Ｍ１ 操作部
Ｍ２ 表示部
Ｎ ガスセンサ
Ｎ１ 筐体
Ｎ２ 光源
Ｎ３ 反射構造体
Ｎ４ 光検出部
Ｎ５ 回路部
Ｓ 基板
Ｔ 熱電変換素子
Ｖ 内部空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】