2017 Fiscal Year Annual Research Report
Single Crystal Patterning beyond the Law of Nature by Laser and Optical Active Functions
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17H03387
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
小松 高行 長岡技術科学大学, 工学研究科, 特任教授 (60143822)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 単結晶パターニング / 光アクティブ機能 / ガラス / 結晶化 / レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）特異点およびガラス/単結晶ライン界面での原子配列の解明と特異構造の設計/制御：ガラス/単結晶ライン界面では、屈折率の違いが形成され、導波する光の単結晶への閉じ込めとして機能する。光アクティブ機能を有する結晶は、構造の異方性により結晶軸によって屈折率が異なる。従って、レーザーによってパターニングされた結晶は単に配向しているだけではなく、どのような結晶軸がレーザー走査方向に対して成長しているかが重要になる。本研究において初めてパターニングした結晶の構造異方性と配向方向との関係に対してモデルを提案した。光アクティブ機能を有するBaB2O4やBaAlBO3F2結晶では、c-軸に沿って層状のB3O6やBO3構造単位が積層されおり、結合強度が小さいことから、結晶成長先端部の過冷却液体/結晶界面での成長面は界面エネルギーが小さいc-軸が成長する。一方、結晶ライン側面でのガラス/結晶界面では、結晶を構成する構造単位とガラスの構造単位が容易に強い結合を形成し、界面自由エネルギーが小さくなり、均一な単結晶ラインが安定的に成長する。このモデルを適用すると、クロスライン手法で成長したa-軸配向の光アクティブ結晶は、レーザー走査中に途中でa-軸からc-軸に配向するという特異な結晶成長を説明できる。
２）光アクティブ結晶として重要なLiNbO3結晶について、レーザー光吸収イオンをNi2+イオンに変更することにより、これまでにない配向したLiNbO3結晶粒子のレーザーパターニングを実現させた。また、LiNbO3結晶は構造異方性が小さいことから、レーザー照射条件によって、a-軸とc-軸の両方の配向が可能であることを示した。
３）低フォノンエネルギーから光増幅ファイバーへの展開が期待されているTeO2系ガラスにおいて、準安定結晶からなる高配向結晶ラインのパターニングを実現した。
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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
ガラス/単結晶ライン界面での原子配列の解明と特異構造の設計/制御に対して、ガラスの結晶化という手法の特徴がガラス構造と結晶構造の異方性との関連で具体的にモデル化することができ、具体的実験結果の解釈に大きく前進した。特に、結晶成長先端での過冷却液体/結晶界面とガラス/結晶界面という２種類の界面自由エネルギーの概念を導入し、これらの界面自由エネルギーと結晶構造の異方性との関連を検討し、レーザー誘起結晶化でパターニングされる光アクティブ結晶の配向軸やクロスライン手法で成長させたホモエピタキシャル結晶成長や結晶軸のa-軸からc-軸への変化という特異挙動を説明できたことは大きな進展である。レーザー誘起結晶化での単結晶パターニングでは、これまでこのような議論はなされていない。
レーザー誘起結晶化法により、新たに、配向した光アクティブLiNbO3結晶粒子の周期的配列のパターニングを実現した。また、低フォノンエネルギーから光増幅ファイバーへの展開が期待されているTeO2系ガラスにおいて、準安定結晶からなる高配向結晶ラインのパターニングも行い、自然の摂理を超える単結晶パターニングのさらなる展開を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題はほぼ順調に進展おり、計画に沿って研究を推進する。新たに導入した２種類の界面自由エネルギーの概念をさらに展開する。
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Research Products
(16 results)
