Fabrication of diamond lattice photonic crystals using layer-by-layer deposition
| Project/Area Number |
21K05008
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
山中 淳平 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 教授 (80220424)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥薗 透 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 准教授 (10314725)
豊玉 彰子 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 准教授 (50453072)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | コロイド粒子 / コロイド結晶 / 静電相互作用 / ダイヤモンド格子 / 静電吸着静電吸着 / フォトニック結晶 / 光学材料 / 光学素子 / 静電吸着 / コロイド / 交互積層 |
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| Outline of Research at the Start |
直径が100nmから1μm程度のコロイド粒子がダイヤモンド格子状に配列した構造は、可視から赤外光を閉じ込める「完全フォトニック結晶」として働く。本研究では、最近開発した「2次元の負荷電コロイド結晶」を基板とし、その上に正・負の荷電コロイド粒子を交互に積層することで、コロイド粒子のダイヤモンド格子を構築する。粒子間の相互作用と摩擦力を最適化し、光学特性評価が可能なmmサイズの結晶構造を作製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
直径が100nmから1μm程度のコロイド粒子がダイヤモンド格子状に配列した構造は、可視から赤外光を閉じ込める「完全フォトニック結晶」として働く。本研究では、最近開発した「2次元の負荷電コロイド結晶」を基板とし、その上に(+)および(-)に荷電したコロイド粒子を交互に積層することで、コロイド粒子のダイヤモンド格子を構築する。
令和４年度は、粒子として (+)および(-)に荷電した直径1μmのシリカ粒子を用い、(i) 3D荷電結晶の正荷電基板への静電吸着による2Dコロイド結晶を作製した。また、(ii) (+)粒子の吸着による２層目の構築に成功した。さらに、 (iii)第2層に(-)粒子を吸着させて第3層を構築できた。２、３層目の吸着にあたって、粒子のζ電位と系の塩濃度により静電引力の大きさを制御した。その際、様々な条件における相互作用ポテンシャルに基づく安定な立体配置を計算し、実験の指針とした。(-)電荷を持つ第1層の三角格子の中央に正電荷の粒子が吸着すると、第2層目が得られる。エネルギー最安定の配置を求めたところ、塩濃度によらず、三角格子の中央であることが分かった。しかし、(+)粒子は１層目の１粒子のみに接触するか、２粒子の中央に配置する場合が多かった。静電引力が強いとき、粒子間の摩擦力が大きいため、最安定の配置に位置せず、非平衡の配置に止まるものと思われる。このため、静電相互作用の弱い条件を選んだ。
格子構造の評価は３次元構造が取得できる、共焦点レーザースキャン顕微鏡を用いて行い、各層の動径分布関数 g(r)およびボンド配向秩序パラメーターΨ3を計算して、結晶性を評価した。1,2,3層目のg(r)のピーク位置はよく一致し、粒子は（平均して）正四面体状に配置していることが明らかになった。またΨ3から、格子は良好な秩序性を持つことが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
３年間の研究期間内に、 (1)粒子間静電相互作用と摩擦力の調節、(2)多層化、(3) 光学特性評価の3項目を順次検討することを目標としている。本年度までに、(1)粒子間静電相互作用と摩擦力の調節により、規則正しい正四面体の連鎖構造が得られる条件が明らかになった。従来の結果では、積層につれて結晶の乱れが著しく増したため、多層化が困難であった。本年度の検討で粒子配列の対称性が向上し、３層目の秩序度が向上したため、多層化についても目処が得られた。また、一層目の面積は当初想定していた１mm以上に達している。以上の結果をまとめて、論文（速報）として投稿を予定している。
残りの研究期間内で、多層化、および光学特性の評価が実施できる見込みであり、進捗状況として「概ね順調に進展している」ものと評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、当初の予定通り、多層化と光学特性評価に注力する。直径＝500nmから1μmの粒子のダイヤモンド格子の回折波長は、バンド計算によると1.6μmから3.2μmと見積もられ、赤外反射分光測定で検出できる。ファイバー分光および顕微分光装置により光学特性を評価し、想定されたダイヤモンド格子が生成しているかを確認する。併せて、フォトニックバンド計算を行い、回折波長の角度依存性を実験結果と比較しながら検討を進める。
なお、本年度の検討の過程で、100nm程度の小粒子を用いたほうが、正四面体型配置を取る塩濃度領域が大きいことが明らかになった。次年度は小粒子系の構造形成を併せて検討する。
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
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[Presentation] Space Experiments on Clustering of Charged Colloids2021
Author(s)
J. Yamanaka,H. Miki, T.Ishigami, Y.Mori, M.Fujita, A. Toyotama, T.Okuzono, S.Adachi, T.Sakashita, T.Shimaoka, M.Nagai, Y. Watanabe, S.Fukuyama, and Y.Nakata
Organizer
The 8th Asian Particle Technology Symposium 2021
Related Report
Int'l Joint Research / Invited
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