2021 Fiscal Year Annual Research Report
遷移金属窒化物の熱プラズモニクスで実現する超高効率マイクロ熱反応デバイス
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20H02075
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| Research Institution | Kobe City College of Technology |
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Principal Investigator |
瀬戸浦 健仁 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (90804089)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズモニクス / プラズモン / 光熱変換 / 遷移金属窒化物 / MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の実施期間は3年間である。本研究は１）遷移金属窒化物の熱プラズモニクスの学理解明、２）アレイ化によるマイクロ熱反応器の作製、そして３）マイクロ熱反応器の応用展開の３段階で構成され、各段階をそれぞれ１年間で実施する計画である。
２年目である本年度は、２）アレイ化によるマイクロ熱反応器の作製を実施した。まず、初年度の知見に基づいて選定した光発熱特性に優れるサイズのナノ粒子を、どの程度の密度で２次元アレイとして配列した際に、マイクロ領域の加熱効率が最良になるかについて、熱伝導の数値シミュレーションを行って検討した。これと並行して、初年度にコロナ禍による実験機材の調達困難のために繰り越していた直接経費を執行し、１）遷移金属窒化物の熱プラズモニクスの学理解明について不足していた実験データを収集した。これらを合わせて、遷移金属窒化物の熱プラズモニクスの学理の基礎的知見として、原著論文として発表した。
上記の知見を統合し、ナノ粒子を２次元アレイ化することによるマイクロ熱反応器の設計指標が確立した。ナノ粒子のアレイ化のためには、ナノ粒子を光の圧力によって捕捉し輸送することが出来る、光ピンセット技術を適用した。ただ、光ピンセットのみでは、所望のサイズおよび形状のナノ粒子のみを選択的に捕捉することが困難であるため、レーザー照射によって生じる局所的な温度上昇に誘起される、熱泳動および熱対流も利用することとした。そして、近赤外波長の連続発振レーザーを光源とする光ピンセットの光学系を構築し、特定のサイズのナノ粒子を選択的に捕捉し輸送できることが確認された。
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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
初年度に、コロナ禍による実験機材の調達不良によって、実験にやや遅れが出ていた部分もあったが本年度でリカバリーすることが出来た。これに加えて、本年度に行ったマイクロ領域の加熱効率についての熱伝導シミュレーションにより、ナノ粒子２次元アレイの作製方針に関しては十分な知見が得られたので、本年度の前半は十分な進捗があったといえる。後半には、局所加熱を援用した光ピンセット光学系を作製した。この光学系の作製では、光源として使用しているレーザーのビーム品質にやや問題があり、完成が難航した。しかし実験での試行錯誤により、最終的には問題を克服して光学系は完成した。この光学系を用いて実験を行い、光ピンセットに加えて、局所加熱による熱対流および熱泳動を誘起できることを確認した。そして、光ピンセットに上記の発熱による効果を加えることで、特定のサイズの微粒子を選択的に捕捉し輸送可能なことも実証した。装置の構築が難航したために、時間的な問題で最終的な２次元アレイ化の完成には至らなかったが、これは比較的容易なプロセスであるため、最終年度の「３）マイクロ熱反応器の応用展開」に持ち越しても大きな問題は無いと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、合計３年間のうちの２年間が終了したが、進捗状況はほぼ順調と言える。最終年度では、３）マイクロ熱反応器の応用展開を、申請段階の計画通りに行う予定である。この３）マイクロ熱反応器の応用展開では、開発したマイクロ熱反応器を用いて、各種の化学反応や、ナノ加工が高効率に行えるかを検証する。これと並行して、さらなる新規応用の開拓も行う。
他方で、本年度（２年目）のナノ粒子２次元アレイにおける熱伝導シミュレーションを行っている最中に、従来とは全く異なるアプローチで、遷移金属窒化物ナノ粒子に光を照射するだけで、ナノ空間の温度上昇を自在に制御する手法を見出した。これについては、現在論文投稿中である。この新たに発見した「ナノ空間での自在な温度造形手法」は、本研究の目的である「マイクロ熱反応器の作製とその応用展開」に利用できると考えられるので、研究を進める予定である。
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Research Products
(1 results)
