2022 Fiscal Year Research-status Report
非平衡気相レーザープロセスによる複合ナノ粒子の形成過程の解明と複合構造制御
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22K04882
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| Research Institution | Konan University |
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Principal Investigator |
梅津 郁朗 甲南大学, 理工学部, 教授 (30203582)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 岳人 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 教授 (20370033)
福岡 寛 奈良工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (40582648)
青木 珠緒 (松本珠緒) 甲南大学, 理工学部, 教授 (80283034)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | パルスレーザーアブレーション / ナノ粒子 / 球状粒子 / インパクタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
球状サブミクロン粒子は局在表面プラズモン共鳴による吸収や光散乱を利用した光学材料として注目を集めている。特にサイズの制御は共鳴波長の制御につながる。パルスレーザーアブレーション法は球状粒子の作成が可能な物理的ドライプロセスであり、複合化や真空プロセスとの組み合わせが容易である。パルスレーザーアブレーション過程で生成された粒子をガスの流れにのせて移動させれば、慣性効果によって粒子の質量、すなわち、サイズの制御を行うことが出来る。本研究ではパイプとガスの流れを利用して基板上に球状サブミクロン粒子を堆積させる手法を用いた。 当該年度はSi, Ge, TiO2, Ag, Cuの5種類のターゲット材料に対して流速とパイプ位置を変化させて球状のナノ粒子の作成を試みた。すべてのターゲット材料に対して球状粒子が得られ、粒径分布は対数正規分布によく従っていた。また、平均粒径はターゲット材料物質の密度とガスの流速のみに依存し、慣性効果の指標とも言えるストークス数が1となるガス流速で決定されていた。これは平均粒径が粒径はガス流速の制御という単純な手法で制御可能であることを意味する重要な結果である。最小粒径のカットオフは堆積基板上での慣性効果、すなわちインパクター効果で説明可能であったが、最大粒径のカットオフについては説明することはできていなかった。そこでパイプ位置を変化させることと、生成された粒子の挙動を観察することによって、最大粒径のカットオフがパイプ収集口先端の慣性効果によって決定されることを明らかにした。すなわち、パイプ収集口付近の慣性効果によって最大粒径がカットオフされた後、基板上での慣性効果によって最小粒径がカットオフされることにより粒径分布が決定されることが明らかになった。
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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
当該年度はこの手法で作製された球状粒子に対して、粒径分布に関する知見を得ることができた。粒径分布は対数正規分布で近似でき、ターゲット材料を問わずストークス数によって平均粒径が予測できることを明らかにした。さらに二段階の慣性効果が平均粒径を決定していることを明らかにした。このように当初の目標の複合化に関しては十分な結果が得られていないものの、より重要な単一粒子の単分散化に関して予想以上の成果を得ることが出来た。従って総合的には順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目の目標はプローブとしてパルスレーザー光を導入し、ナノ粒子およびミクロン球の生成位置、生成時間、両者の結合時間を明らかにすることである。しか し、残念ながらそのために必要な検出器のICCDカメラが故障し修理不能となった。そこで代替的手法としてCMOSカメラでの散乱光の観察を行う。この場合、感度と時間分解能が十分でないため、撮影条件の最適化に時間を費やすことになる。一方、球状粒子の空間分布に関しては前年度に装置の改良を行い、パイプ位置をより詳細に変化できるようになった。そこで今後は球状粒子の空間分布の詳細を明らかにし、生成過程を議論していくことを中心とする。さらにこの方法でシリコンの粒子からの特定波長の光散乱を確認した。これは応用上重要であり、TiO2球状粒子との複合化、半導体基板への堆積によって光触媒および太陽電池の高効率化に関する知見を得る。
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| Causes of Carryover |
当初レーザー装置のメンテナンスに20万円強を見込んでいたがメンテナンスは2023年度に持ち越した方が合理的という結論を得たため。
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