Composition patterning and functionalization on glass surface using electrical nanoimprint

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13297
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 西井 準治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60357697)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 海住 英生 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (70396323)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ナノインプリント / 微細周期構造 / コロナ放電 / ガラス / アルカリイオン

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、アルミノシリケートガラス表面への電圧印加インプリントと湿式エッチングによって、特異な形状が形成される現象を発見し、その形成メカニズムを解明した。白金をコートした周期700 nmの1次元周期の石英モールドを用い、窒素雰囲気中、450℃、プレス圧力3 MPaで、23mol%の酸化ナトリウムと酸化アルミニウムを含有するケイ酸塩ガラス(Tg=779℃)に対して電圧印加インプリントを行った。その後、70℃、55 wt%のKOH水溶液中でガラス表面をエッチングし、表面形状観察とTEM-EDSでの分析を行った。
電圧印加インプリント後のガラス表面には、高さ55 nmの凹凸構造が形成された。この試料を30分間エッチングすると、突起先端が選択的にエッチングされ、モールド形状とは異なる構造に変化した。このような現象は、周期5ミクロン以上のモールドを用いた場合には見られなかった。エッチング前のガラスのTEM-EDS分析の結果、特異な形状が形成される表面付近にはNaが存在せず、Al, Si, Oのみで構成される均質な非晶質であった。したがって、特異構造は、Naの欠乏による体積収縮あるいは残留応力などに起因した化学的耐久性の変化が関係していると推察された。本成果は、OPTICAL MATERIALS EXPRESS (doi.org/10.1364/OME.7.001438)に掲載された。
一方、コロナ放電処理によるシリカナノ粒子選択堆積の大面積化を試みた。まず、ソーダライムガラス表面にポリスチレンナノ粒子を規則配列させ、大気中でのコロナ放電処理でアルカリ欠乏領域を形成し、その後、シリコーン蒸気中でのコロナ放電処理を実施することによって、シリカナノ粒子の選択堆積による微細パターンを大面積で可能であることを実証した。
今後は、微細構造の高アスペクト比化、機能性ナノ粒子の選択堆積を試みる。

Research Products

• [Journal Article] Nano-imprinting of surface relief gratings on soda-aluminosilicate and soda-lime silicate glasses (2017)
  • Author(s): N. Kubo, N. Ikutame, M. Takei, B. Weibai, S. Ikeda, K. Yamamoto, K. Uraji, T. Misawa, M. Fujioka, H. Kaiju, G. Zhao, J. Nishii
  • Journal Title: Optical Materials Express Volume: 7 Pages: 1438-1445
  • DOI: 10.1364/OME.7.001438
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Migration behavior of alkali and alkaline-earth cations in soda-lime silicate glass surface by electrical nanoimprint (2016)
  • Author(s): S. Ikeda, K. Uraji, T. Suzuki, K. Yamamoto and J. Nishii
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids Volume: 453 Pages: 103-107
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2016.09.030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Migration behavior of network-modifier cations at glass surface during electrical poling (2016)
  • Author(s): T. Suzuki, J. Anzai, Y. Takimoto, K. Uraji, K. Yamamoto and J. Nishii
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids Volume: 452 Pages: 125-129
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2016.08.037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective Deposition of SiO2 on Ion Confuctive Area of Soda-lime Glass Surface (2016)
  • Author(s): D. Sakai, K. Harada, Y. Hara, H. Ikeda, S. Funatsu, K. Uraji, T. Suzuki, Y. Yamamoto, K. Yamamoto, N. Ikutame, K. Kawaguchi, H. Kaiju and J. Nishii
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/srep27767
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Fabrication of Microstructure on Soda-lime Silicate Glass Using Corona Discharge (2016)
  • Author(s): D. Sakai, M. Abe, K. Harada, T. Omatsu, I. Yoshida, T. Nishiura, T. Takemori, J. Nishii and H. Shibata
  • Organizer: The Sixth Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-12-19 – 2016-12-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of a New NASICON-structured KxNa3-x-yHyV2(PO4)3 Using a Novel Ion Substitution Method (2016)
  • Author(s): N. Kubo, W. Chuanbao, M. Fujioka, H. Kaiju and J. Nishii
  • Organizer: The 17th RIES-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: シャトレーゼガトーキングダムサッポロ（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-12-13 – 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical Nanoimprint (2016)
  • Author(s): J. Nishii
  • Organizer: The 33rd International Korea-Japan Seminar on Ceramics
  • Place of Presentation: Daejeon（Korea）
  • Year and Date: 2016-11-16 – 2016-11-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Behavior of alkali and alkaline-earth ions silicate glasses under DC voltage application (2016)
  • Author(s): J. Nishii
  • Organizer: CerSJ-GOMD Joint Symposium on Glass Science and Technologies co-located with The 57th Meeting on Glass and Photonic Materials & The 12th Symposium of Glass Industry Conferences of Japan
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-11-13 – 2016-11-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電圧印加ガラスインプリントによる特異な微細構造形成 (2016)
  • Author(s): 久保 直紀、三澤 貴浩、藤岡 正弥、海住 英生、西井 準治
  • Organizer: 平成28年度日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-27 – 2016-10-28
• [Presentation] Electrical Nanoimprint on Soda-lime Silicate Glass (2016)
  • Author(s): J. Nishii, T. Misawa, M. Fujioka and H. Kaiju
  • Organizer: The 7th Japan-China-Korea Joint Conference on MEMS/NEMS 2016
  • Place of Presentation: 札幌市教育文化会館(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-09-22 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fine pattern formation on silicate glasses under DC voltage application (2016)
  • Author(s): J. Nishii, T. Misawa, M. Takei, S. Ikeda, T. Suzuki, K. Uraji and K. Yamamoto
  • Organizer: International Congress on Glass
  • Place of Presentation: Shanghai（China）
  • Year and Date: 2016-04-07 – 2016-04-11
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrical imprint for fine patterning of silicate glasses (2016)
  • Author(s): J. Nishii
  • Organizer: The 3rd Glass Summit and Atomistic Simulations Workshop
  • Place of Presentation: Wuhan（China）
  • Year and Date: 2016-04-04 – 2016-04-06
  • Int'l Joint Research / Invited