2016 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of doped ZnO spherical crystals by optical vortex laser processing
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16H03888
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
中村 大輔 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (40444864)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 微小共振器 / ウィスパリングギャラリーモード / 光渦レーザープロセス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光渦は軌道角運動量と位相特異点によるドーナツ状のビームプロファイルをもつ光波である。本研究は、光渦レーザープロセスによる酸化亜鉛（ZnO）ナノ・マイクロ結晶球のオンデマンド作製と、これまでにない新たな不純物ドーピング手法を確立し、ドープZnO 微結晶球による紫外光領域光電子デバイス分野を開拓することを目指す。
H28年度は、螺旋位相板を用いて光渦を生成し、光渦レーザー照射系および高速度カメラ観察システムの構築を行なった。予備実験としてSiターゲットに対する光渦レーザー照射でSiマイクロドロップレットが数百マイクロメートルの距離を直線状に飛翔する様子を捉えることに成功した。さらに、ZnOターゲットについては緩和発振のパルス列照射によって複数のドロップレットが直線状に飛翔する様子を初めて観察することに成功した。一方、ドロップレットの直線飛翔には適した集光径とエネルギー密度の関係があり、その条件から外れると飛翔の直進性が損なわれることがわかった。
ZnOマイクロ結晶球は光励起によりウィスパリングギャラリーモード（WGM）レーザー発振を示す微小光共振器として機能するが、発振波長の変調を指向してMgOを混入したターゲットを準備し、レーザー照射することでZnMgOマイクロ結晶球の作製に成功した。さらに、光励起によるWGMレーザー発振を確認し、発振波長の短波長化に成功した。また、不純物元素であるMgの含有量を変化させることで発振波長を制御できることを実証した。p型ZnOの実現を指向したSbドープZnOマイクロ結晶球の作製も行ない、p型電気特性とレーザー発振を確認した。
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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
H28年度の当初計画は次の通りである。
（１）光渦パルスレーザーによるZnOマイクロ結晶球を作製する、（２）マイクロ結晶球の生成過程を高速度カメラで時間分解観察して生成メカニズムを明らかにする、（３）急速加熱・固化レーザープロセスを利用した不純物ドーピングを実現する、（４）雰囲気圧力の制御や各種ガスを導入し、レーザー生成プラズマの能動的な制御を実現する。このうち、（１）～（３）については予定通りに実施され、特に、（３）についてはZnMgOマイクロ結晶球による20 nm程度の短波長化を達成し、WGMレーザー発振波長を制御可能であることを実証した。（４）については雰囲気圧力やガス種を変更しつつレーザー照射挙動を観察できる新規チャンバの設計に時間を要し、機器導入まで至らなかったが、ガス圧力の違いによって基板上に捕捉されるドロップレットのサイズや堆積量が大きく変わることを確認したことから、全体としてほぼ順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
光渦レーザーによってSiやZnOのドロップレットの直線飛翔に成功したが、マイクロ結晶球のオンデマンド作製を目指すには、位置制御とサイズ制御が重要となる。そこで、レーザー出力、集光径、パルス数といった実験パラメータが結晶球生成に及ぼす影響について高速度カメラを用いて調査を行なう。直線飛翔するドロップレットについて、透明基板をターゲット前方に設置して捕捉を試みる。これに合わせてマイクロ結晶球のサイズ制御の可能性についても調査する。また、不純物ドーピングについては、Mg以外にもHoドープZnOマイクロ結晶球を作製し、可視領域WGMレーザー発振を目指す。励起用レーザーにはNd:YAGレーザー第三高調波（355 nm）に加え、Nd:YAGレーザー第四高調波（266 nm）、He-Cdレーザー（325 nm）、ArFエキシマレーザー（193 nm）を用いる。さらに、雰囲気ガス圧力を制御した状態で光渦レーザー照射挙動を詳細に観察できる新規チャンバを導入し、ドロップレット飛翔の観察を試みる。
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[Journal Article] Fabrication of P-, Sb-, and Mg-Doped ZnO Spherical Microcrystals by Laser Ablation in Air2016
Author(s)
Daisuke Nakamura, Toshinobu Tanaka, Takeshi Ueyama, Tatsuya Ikebuchi, Yuki Fujiwara, Fumiaki Nagasaki, Shuhei Takao, Mitsuhiro Higashihata, Hiroshi Ikenoue, Tatsuo Okada
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Journal Title
Journal of Laser Micro / Nanoengineering
Volume: 11
Pages: 337-340
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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