2018 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 | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
溝尻 瑞枝 長岡技術科学大学, 産学融合トップランナー養成センター, 特任准教授 (70586594)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | フェムト秒レーザ還元 / レーザ加工 / 微細加工 / 錯体 / 還元 / 3D金属微細造形 |
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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30年度は，前年度までに調製方法を確立したCu2Oナノ粒子溶液を原料とし，グリーンフェムト秒レーザを用いて内部描画を行った．具体的には，Cu2Oナノ粒子，ポリビニルピロリドン，2-プロパノールの混合溶液をガラス基板上に塗布し，波長515 nmのフェムト秒レーザパルスを集光照射して内部描画を試みた．高開口数対物レンズ（NA0.90）を用いてパルスを集光し，焦点位置を光軸方向に変更しながら，Cu2Oナノ粒子溶液内部に描画を試みた．その結果，異なる高さの微細構造が形成されることが明らかになった．これは，フェムト秒レーザパルスが材料表面からでなく，焦点近傍のみで吸収されていることを示唆している．Cu2Oナノ粒子溶液の吸収スペクトルを考慮すると，2光子吸収による内部描画により構造が形成されたと考えられる．結晶構造解析の結果，形成された微細構造はCu-richであったことから，2光子吸収に起因した内部還元描画により，Cu-richな微細造形が可能であることを明らかにした．
更に，高Cu-rich微細造形を目指し，Cu錯体を原料とした描画を試みた．近赤外（波長780 nm）とグリーン（波長515 nm）フェムト秒レーザを用い，Cu錯体のフェムト秒レーザ還元描画特性について評価した．いずれの波長においてもCu-richな微細構造を描画形成できた．
一方，CuOとNiO混合ナノ粒子を原料としたフェムト秒レーザ還元において，Cu-Ni合金の還元描画が可能であることを明らかにした．この結果は，各種金属酸化物の混合ナノ粒子を原料とした場合や，更に各種金属錯体を原料とした場合の合金の直接描画が可能であることを示唆している．
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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Cu2Oナノ粒子溶液を原料として，より大きな非線形吸収特性が期待できるグリーンフェムト秒レーザを用いて内部描画に取り組んだ．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．更に，原料としてCu錯体を用いることで，還元度の向上も実現できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である2019年度は，Cu2Oナノ粒子溶液，Cu錯体ともに，グリーンフェムト秒レーザ波長における非線形光吸収特性を評価し，溶液や錯体内部への還元描画メカニズムを明らかにする．更に，各種金属酸化物ナノ粒子や金属錯体を原料とし，合金の描画とデバイスの試作への応用を試みる．
(1)各種原料の非線形光吸収特性評価
グリーン及び近赤外フェムト秒レーザを用いた場合の，非線形光吸収特性を評価する．具体的には，z-scan法を用いて，厚膜塗布した原料の透過率と焦点位置のz位置を明らかにすることで，2光子吸収係数を評価する．
(2)多種金属による合金の直接描画を利用したマイクロデバイス応用
Cu，Niの還元描画形成が実現できる各種金属酸化物ナノ粒子や金属錯体を原料とし，適当な波長のフェムト秒レーザパルスを用いて合金の直接描画特性を評価する．更には，マイクロデバイスのキーエレメントの一つである温度センサの試作を行い，提案プロセスの有用性を実証する．
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