2017 Fiscal Year Annual Research Report
Reductive sintering of metal oxide nanoparticles using nonlinear optical absorption
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16H06064
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
溝尻 瑞枝 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70586594)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | レーザ加工 / 微細加工 / ナノ粒子 / 還元 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，フェムト秒レーザ還元直接描画法に非線形光吸収を適用することで，貴金属以外の金属・半導体3次元微細構造を直接描画形成するプロセスを創出することにある．更に，それらの複合微細構造からなるマイクロデバイス作製へ応用展開する．
平成29年度は，Cu2Oナノ粒子をポリオール法を用いて調製し，それを原料としてフェムト秒レーザ描画を行った．具体的には，Cu2Oナノ粒子のみを膜状に塗布したものと，Cu2Oナノ粒子をポリビニルピロリドンと2-プロパノールに分散させた，Cu2Oナノ粒子溶液を膜状に塗布したものの2種類の膜を用い，フェムト秒レーザパルスを照射したときの非線形光吸収特性を評価した．Z-scan法の結果から，非線形光吸収が生じていることが明らかになった．
次に，Cu2Oナノ粒子溶液を用い，還元描画特性を評価した．基板には，ガラス基板とCu薄膜を成膜したガラス基板の熱伝導率の異なる2種類を用いた．ラインパターンを描画したところ，ガラス基板上のパターンは，フェムト秒レーザスポット径より太くなったが，Cu薄膜上のパターンはスポット径以下となり，非線形的な光吸収によるパターニングが行われたことが明らかになった．Cu薄膜上では熱伝導率が高く，フェムト秒レーザパルスの熱蓄積が抑制できたためであると考えられる．
更に，低レーザ強度条件で描画を行ったところ，ガラス基板上にはパターンが描画できなかったが，Cu薄膜上には描画できた．パターンはCu薄膜直上のCu2Oナノ粒子1層のみがCu薄膜に接合されて形成され，それ以外のCu2Oナノ粒子は，未照射部のナノ粒子除去のためのリンス時に除去された．このことから，Cu薄膜とCu2Oナノ粒子間の局在プラズモン共鳴による電場増強により，Cu2Oナノ粒子がCu薄膜と接合されたためと考えられる．本内部描画を利用して，2段のピラミッド構造の描画に成功した．
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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
当初の予定通り，昨年度までに調製した溶液を原料として，フェムト秒レーザパルスが誘起する非線形光吸収を用いた内部描画に取り組んだ．Cu2Oナノ粒子が非線形光吸収特性を有することを明らかにした上，非線形光吸収による内部還元描画を用いてCu系パターンの作製に成功し，当初の予定通り研究を遂行できている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，前年度までに内部露光できることを確認した酸化物ナノ粒子溶液を用いて，よりアスペクト比の高い複雑形状の描画を行うと共にマイクロセンサの直接描画への応用を検討する．更に，新たな溶液の調製を行い，合金の直接描画とその材料評価を行う．
(1)高アスペクト比複雑形状の描画とマイクロセンサ応用
フェムト秒レーザパルスが誘起する非線形光吸収を利用した還元描画を行うため，これまでに調製した酸化物ナノ粒子溶液の還元剤，分散剤を更に調整することで，レーザ波長における透過率が高く，その半波長における吸収が高く，更に還元が容易な還元剤を混合した溶液を調製する．この溶液を利用して，内部描画特性を評価し，更に立体配線とセンサを試作する．描画した3次元金属・半導体構造は，走査型電子顕微鏡（SEM）やレーザ顕微鏡等を用いてその3次元形状を評価する．
(2)多種金属による合金の直接描画とその材料評価
熱電材料や強磁性材料の直接描画へ応用するため，Cu系材料だけでなく，NiやCrなど多種金属材料に対して，本内部描画プロセスの応用を検討する．NiやCrの酸化物ナノ粒子やそれぞれの錯体，イオン溶液を調製し，内部描画特性を評価すると共に，混合溶液を原料としたときの描画特性を評価する．具体的には，結晶構造解析と，それぞれの機能性材料の評価に必要な特性を評価する．
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