2018 Fiscal Year Annual Research Report
銅ナノ粒子を用いたレーザー直接描画による微細配線形成およびレーザー焼成機構の解明
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15H04132
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡辺 明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (40182901)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | レーザープロセッシング / レーザー直接描画 / レーザー焼成 / 銅ナノ粒子 / 微細配線 / グラフェン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに、レーザープロセッシングによる銅ナノ粒子を用いた導電性微細パターン形成プロセスの検討を行ってきた。それにより、フレキシブルなフィルム基材上へ様々な低抵抗銅微細パターンをレーザー直接描画法で形成する手法を開拓している。レーザー光源としては、銅系材料の吸収係数の高い405 nmブルーバイオレッドおよび445 nmブルーレーザーにおいて、効果的なレーザーシンタリングが起こることが示された。また、それら銅微細パターンを用いて、ストレインセンサー等のデバイス形成に関する検討を行ってきた。レーザー直接描画で形成した銅微細パターンからなるストレインセンサーにおいては、レーザーシンタリング後のナノ構造の残存に起因する曲げ試験での大きな抵抗値変化が観測されていた。このような特性はストレインセンサー的な用途では利点ではあるものの、フレキシブルデバイスにおける電気配線という観点からは、デバイス特性の不安定性の原因となってしまう。そこで、前年度は、フレキシブルポリマー基材上に形成した銅系ナノ材料と酸化グラフェンからなる前駆体膜膜へのレーザー光照射による銅/還元型酸化グラフェンハイブリッド膜および微細パターン形成に関する検討を行った。カーボンナノチューブやグラフェン等の導電性炭素材料においては分子間のπーπ相互作用によって、折り曲げ時における電気特性の自己修復性の発現が期待され、金属材料と炭素材料の特性を兼ね備えたハイブリッド材料創成を目指した。酸化グラフェン等のナノカーボン材料は銅系微粒子の表面酸化構造の有効な還元剤として働くことが示され、表面酸化性が高く安定性が低い銅ナノ粒子以外の酸化銅等の金属酸化物系のナノ粒子材料からも、導電性微細パターンを形成することができた。
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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
これまでの研究により、レーザー直接描画法による銅ナノ粒子を用いて、種々の形状の導電性微細パターンを、耐熱性の低いポリマーフィルム基材上に形成するための手法を確立できている。また、それら銅微細パターンを用いたフレキシブル＆ウェアラブルストレインセンサーを開発している。銅ナノ粒子のレーザーシンタリングにおいては、レーザー照射条件により、化学構造、モルフォロジー、電気特性が顕著に変化し、それらを、顕微ラマン分光法、電子顕微鏡観察、導電性測定から明らかにできている。また、ガルバノミラースキャンと自動ステージからなる装置系を新たに構築し、レーザー光波長（405, 445, 532, 1064 nm）やレーザー光スキャン速度の影響を検討し、さらに、オンディマンドプロセスによるフレキシブルデバイスに向けた研究を行ってきている。
その過程で、金属ナノ粒子から形成した導電性薄膜においては、レーザーシンタリング後のナノ構造の残存に起因するポリマー基材の歪にともなう大きな抵抗値変化が観測されていた。これは、フレキシブルデバイスの安定性の面で問題となる場合が考えられる。そこで、分子間のπーπ相互作用によって、折り曲げ時における電気特性の自己修復性の発現が期待されるカーボンナノチューブやグラフェン等の導電性炭素材料とのハイブリッド化による新規導電性材料の創成の検討を行い、銅/還元型酸化グラフェンハイブリッド膜および微細パターン形成に成功している。銅系ナノ粒子/ナノカーボンハイブリッド材料においては、ナノカーボンの還元性によって、空気中においても導電性微細パターン形成が可能であった。このような特性を生かし、ガルバノスキャナー・自動ステージ連動３Dレーザー描画装置を開発し、３D導電性微細構造体の形成を目指した研究を開始している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、前年度までの成果を発展させるために、以下の項目の検討を進めていく。
(1) 酸化銅ナノロッド（CuO NRs)/酸化グラフェン(GO)ハイブリッド材料のレーザー直接描画による導電性微細パターン形成とセンサーデバイス応用： フレキシブル基板上に導電性微細構造を形成する場合、ロッド状の構造を有したナノ粒子は、球状のナノ粒子に比べて、導電性の安定性が高いことが銀ナノロッド系において報告されている。そこで、CuO NRs/GOハイブリッド膜等を前駆体としたレーザー直接描画法によって、セルロースナノファイバーハイブリッド等のフレキシブル基材上に種々マイクロ電極状の導電性微細パターンを形成する。レーザー照射条件として、波長やパワー密度の影響を、種々波長のレーザー光源を用いて検討する。また、それらマイクロ電極を用いたデバイスにおいて、湿度センサー、ストレインセンサー、赤外線センサー等の特性の評価を行う。
(2) レーザー転写法による導電性微細パターン形成： レーザー直接描画法は、高い空間分解能で、微細パターン形成とシンタリングを同時に行える有効な手法であるが、導電性パターン形成後に未照射部を溶媒処理等で除去することが必要であった。そこで、ナノ粒子系材料をコートしたフレキシブル透明フィルムにレーザー光を照射・スキャンし、それに密着した基材上に導電性パターンを転写形成する新手法の検討を行う
(3) ３D導電性微細構造体のレーザー直接描画： 銅系ナノ粒子/ナノカーボンハイブリッド材料においては、ナノカーボンの還元性によって、空気中においても導電性微細パターン形成が可能である。このような特性を生かし、ガルバノスキャナー・自動ステージ連動３Dレーザー描画装置を開発することによって、３D導電性微細構造体の形成を行う。
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[Journal Article] Recent Advances in Graphene-Based Humidity Sensors2019
Author(s)
Lv, C., Hu，C., Luo，J., Liu, S., Qiao, Y., Zhang, Z., Song,J., Shi, Y., Cai , J., Watanabe, A.
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Journal Title
Nanomaterials
Volume: 9
Pages: 1-42
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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