2017 Fiscal Year Annual Research Report

光放射圧ポテンシャルによる局所化を用いたサブ100nm分解能金属3次元構造創成

Research Project

Project/Area Number	17H04900
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	道畑正岐東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (70588855)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	光放射圧ポテンシャル / 回折限界 / ナノ加工 / 金属ナノ粒子
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、集光レーザを用いた微細な金属3次元構造創成技術確立を目的としている。具体的には、金属ナノ粒子を集光レーザビームウェストに位置変動10nm以下で局所化、集積化による三次元構造の実現を目指す。そのため、金属粒子を光放射圧ポテンシャルの谷に安定捕捉するが、粒子の熱運動による揺動が加工精度の要となる。そこでまず、最適粒子径および捕捉環境の検討を行った。ある光放射圧ポテンシャル下の粒子運動をランダムノイズを含む確率微分方程式で記述することで、定常状態における捕捉粒子の揺動を数値的に予測することができる解析解を数学的に導いた。また、数値解析によるアプローチも平行して行い空気中環境において直径50 nmの金ナノ粒子を用いることで100 nm以下のナノ構造を創生可能であることが示唆された。次に、実験的な検討を実施するための装置開発を行った。本来は集光ビームを用いるが、光放射圧ポテンシャルへと金属ナノ粒子の関係を明らかにするためベッセルビームを用いた基礎実験に向けての装置設計を行った。アキシコンレンズとリレーレンズ系により構成された光学系により水中においてであるが、3マイクロメートルのガラス粒子を基盤に対して垂直に構造化することができ、本研究で提案する手法を検証できる可能性が示唆された。しかし、ビーム強度が弱く空気中での実験を行うことができなかったため、来年度は高強度のファイバーレーザを導入し、空気中でのナノ粒子の構造化の実験を進める。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究の目的は、サブ100 nmの金属3次元構造の創成である。初年度は、光電磁場解析により、用いる金属ナノ粒子の最適粒子径決定と、その金属ナノ粒子の集光レーザ内への導入手法の検討を行なった。まず最適粒子径を検討するため、理論解析手法の開発を行なった。光放射圧ポテンシャル内に位置する金属ナノ粒子の位置変動を解析するが、数値解析手法として、T-matrix法による電磁場解析、マクスウェル応力による光放射圧解析、およびランジュバン方程式を統合した解析コードを作成した。その結果、空気中環境において直径50 nmの金ナノ粒子を用いることで100 nm以下のナノ構造を創生可能であることが示唆された。これを実験的に検証するため、ベッセルビームを用いたレーザ捕捉システムの設計試作を行なった。ベッセルビームはアキシコンレンズにより形成可能であるが、顕微鏡光学系の導入のため、対物レンズを含むリレーレンズ系を設計し、試作を行なった。その結果、水中環境においてはガラスマイクロビーズが3次元的に構造化可能であった。また、空気中環境下において光放射圧ポテンシャル内に金属ナノ粒子を導入するための、ナノ粒子混合ミスト形成の検討を行なっており、現在超音波振動を用いたミスト生成装置の試作機を製造中である。
Strategy for Future Research Activity	【ベッセルビームを用いた金属ナノ粒子の2次元局所化に関する原理確立】昨年度に引き続き、ベッセルビームを用いて、金属ナノ粒子の局所化の特性理解と金属ナノ粒子の集積による構造化原理を確立する。アキシコンレンズを用いて形成するベッセルビームは、光軸断面方向にほぼ等しい強度分布を持ったまま伝搬する。その伝搬長は数10 mmであり、0次光のビーム幅は10 μm以下である。このベッセルビームを用いて、基板に対して法線方向に金属ナノ粒子の構造化を行い、その構造線幅の評価を走査型電子顕微鏡を用いて行う。ベッセルビームを用いる理由は、光軸断面方向に等しい強度分布を持つため、光放射圧ポテンシャルに対する金属ナノ粒子の局所化の特性評価が行いやすいためである。また、入射光条件による金属ナノ粒子の局所性向上を図る。【ハイスピードカメラによる集積構造化原理の確立】揮発性溶媒によるミスト粒径の収縮は、本加工原理の加工レートや分解能を担う重要なファクターである。そこで、側方観察システムにハイスピードカメラを構築し、ミスト径変化について現象の可視化を行う。この観察を基にして、最適ミスト径の調整及び揮発性溶媒材料の適正評価を行え、本加工現象の理解促進と加工性能向上に欠かせないシステムとなる。また、同システムを用いて、金属ナノ粒子の集積現象を観察する。単一の金属ナノ粒子は光学システムの分解能では詳細観察は難しいが、形成される構造物姿勢や加工レートの評価を行える。これはビーム強度分布に対する構造創成プロセスの評価となり、高精度加工に対して重要である。