ナノスケール領域に踏み込もうとする中、新規材料だけではなく、馴染みの材料を評価する必要性が増している。ナノスケール領域では材料の特性が変わることがよくあるからである。

　米ニューヨーク州立大学アルバニー校のナノスケール科学工学カレッジ(CNSE)のEmpire Innovation教授、Alain Diebold氏は、将来のナノスケール測定ニーズを調査する研究所を立ち上げている。同氏は、線形法や非線形法など、新旧さまざまな光技術を研究している。「エリプソメトリは線形光学を利用した測定の例」と同氏は述べる。「ある波長で入射させ、その出射を観察する」。

　エリプソメトリでは、光が表面あるいは格子構造に反射するときの偏光変化を調べる。「変化を解明すれば膜厚についてのデータが得られる。スキャタロメトリを目的としたエリプソメトリでは、格子構造CDの線形と構造が分かる」（Diebold氏）。半導体でよく使われるこれらの測定はナノ技術においても重要である。

　ナノスケールの線形光学測定に対する影響はよく知られている。極めて薄い単結晶Si膜があると、光学特性は量子閉じ込めにより変化する。そして、このことを活かす方法がある。¹）半導体材料にも同じことが言え、特定の単結晶薄膜に対する方法を導き出す必要がある。単結晶の半導体薄膜に言えることは、ナノサイズのスキャタロメトリ構造にも通用するということである。

　米トレド大学のRob Collins教授は様々な材料を研究し、同教授のアプローチと実験データがうまく一致するような結果を得ながら、薄膜の光学特性に対する粒子サイズの影響をいかに組み込んでいくかを解明した。

　非線形領域では、同じ光のエネルギー（波長）が入射され、異なる波長が出射する。ではなぜ線形測定の先を思い描くのか？一番の理由は、界面はいつも特徴付けに挑んでおり、第二高調波発生(SHG： Second Harmonic Generation)法がこれに適している。SHG法では入射光の同じ周波数ではなく2倍の周波数の光（2次の高調波成分）が観測される。

　SHG信号の強度は入射光のそれよりかなり小さいが、一定の実験条件と入射光と出射光の偏光の下では、界面に対する優れた感度が得られる。線形光学測定と比較すると、非線形光学測定のSHGがもたらす追加的な感度は非常に大きい。

　SHGを応用した典型的な例はSiO2/Si界面で、よく分析されている。米テキサス大学オースティン校のMichael Downer教授のグループは、これをSi上のHigh-k材料に拡張した。同じコンセプトはあらゆるナノスケールサンプルに応用可能だ。

　新しい研究所の研究分野はナノスケール構造になるだろう。この分野におけるSHG測定の使用例はSiO2に埋め込まれたSiナノドットだ。ナノドットは途方もない量の表面積を持ち、そのことはナノドットから出る強力な第二高調波信号に役立つ。また、それは多くの光学特性を分析するために使われてきた。実験的にナノドットは将来のメモリーデバイスコンセプトに応用されてきた。商業的には、効率的で省エネタイプの固体照明を作るのに使われている。

　研究者の目的は、線形と非線形の両光学測定を用いて、材料中の異なるナノスケール効果を調査することになるだろう。新規材料の特性を理解するために使用できるかを見極めるだけでなく、材料の特性の均一性測定、構造的特徴の均一性、そして最終的には測定を可能にするためにナノスケール測定が必要とするあらゆるものの均一性の測定をするために使用できるが判断するためである。

1.A. C. Diebold and J. Price,"Observation of Quanntum Confinement and Quantum Size Effects," to be published.