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 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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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 / フォトニック結晶 / 光学材料 / 光学素子 / 静電吸着静電吸着 / 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、「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5年度は、昨年に引き続き、 (+)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。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。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。
さらに、得られた構造がフォトニック結晶として機能するか、確認するために、時間領域有限差分法（FDTD法）を用いた計算機シミュレーションによる光学特性の評価を行った。２次元のコロイド粒子のダイヤモンド格子は、例えば200nmのチタニア粒子を用いた場合、層数が３層の場合でも、可視域に明確な吸収帯を持つことが明らかになった。以上の結果は、イギリス王立化学会のソフトマテリアルに関する専門誌である SoftMatter誌に投稿し、掲載された。また、大学広報よりプレスリリースされ、電子および紙媒体のいくつかのニュースに掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
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。これらの目標は全て達成しており、また以上の結果をまとめて、論文が掲載された。
本課題は発展的に継続する予定で、本年度１年間の延長申請が認められた。すでに、結晶作製法の改善と、構造形成に関する計算機シミュレーション、光学特性に関する計算機シミュレーションを検討開始しており、残りの研究期間内で、スペックが一層向上するものと期待できる。このため、進捗状況として「当初の計画以上に進展している」ものと評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、（１）結晶作製法の改善と、（２）構造形成に関する計算機シミュレーション、（３）光学特性に関する計算機シミュレーションを実施する。（１）に関しては、塩基の拡散を利用した方法が有効であることが明らかになり、現在作製条件の詳細検討を行っている。また、（２）に関しては、モンテカルロシミュレーションにより、粒子サイズや塩濃度の最適値が明らかになっている。また、（３）として、積層構造に応じFDTD法により反射および透過スペクトルの計算を併せて実施する。
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Report
(3 results)
Research Products
(22 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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