フェムト秒レーザーによる金属薄膜の周期配列ナノ構造作製とその局在増強光利用の革新

• Project/Area Number: 16J03565
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 中島 康貴 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2018: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2016: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: フェムト秒レーザー / マイクロ構造 / ナノ構造 / 金属 / ポリマー / 導電性構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、フェムト秒レーザーによる金属薄膜の周期配列ナノ構造作製とその局在増強光利用の革新であり、作製した金属微細構造を活用した細胞刺激が最終的な応用先となる。本年度は、細胞刺激応用デバイス中にて電気回路等を構成する導電性構造の作製が必要であると考え、フェムト秒レーザーを用いた透明材料表面への導電性構造作製を主に遂行した。具体的には、当初予想していなかったものの、フェムト秒レーザーを用いたポリジメチルシロキサン (Polydimethylsiloxane, PDMS) の改質によりPDMSへの局所的導電性付与が可能であることを見出し、導電性構造をPDMS表面に作製可能な技術を創出した。作製導電性構造の分析の結果、シリコンカーバイドの生成が明らかとなった。本研究では、高繰返し周波数のフェムト秒レーザを用いている。そのため、高繰返しレーザパルス照射による熱蓄積により、PDMSの局所的な熱分解が誘起され、導電性SiC構造が生成したと推察される。創出技術により、レーザー光を二次元走査するのみで細胞刺激応用デバイス中の電気回路を任意の形状にて簡易に作製できる。デバイス中に作製する電気回路に関しては、PDMSの改質により得られる導電性構造より高い導電性が求められる場合も想定される。そこで、当該分野において研究実績のあるProf. Philippe Delaporte研究室にて、金属の導電性微細構造を透明材料表面に作製する研究を遂行し、その技術を獲得した。さらに、空間的に一様な光照射による細胞刺激ではなく、空間選択的な細胞刺激を検討するために、当該分野において研究実績のあるProf. Robert R. Thomson研究室にてフェムト秒レーザーを用いた透明材料内部への導波路構造作製に関する研究を遂行し、その技術を獲得した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Femtosecond laser-induced modification of PDMS to electrically conductive silicon carbide (2018)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Shuichiro Hayashi, Akito Katayama, Nikolay N. Nedyalkov, Mitsuhiro Terakawa
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 8 Issue: 7 Pages: 558-558
  • DOI: 10.3390/nano8070558
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Femtosecond-laser-based fabrication of metal/PDMS composite microstructures for mechanical force sensing (2017)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Kotaro Obata, Manan Machida, Arndt Hohnholz, Jurgen Koch, Oliver Suttmann, and Mitsuhiro Terakawa
  • Journal Title: Optical Materials Express Volume: 7 Issue: 11 Pages: 4203-4213
  • DOI: 10.1364/ome.7.004203
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] UV Laser Photo-Polymerization of Elastic 2D/3D Structures Using Photo-Curable PDMS (Polydimethylsiloxane) (2017)
  • Author(s): Oliver Suttmann, Kotaro Obata, Yasutaka Nakajima, Arndt Hohnholz, Jurgen Koch, Mitsuhiro Terakawa, and Ludger Overmeyer
  • Journal Title: Journal of Laser Micro/Nanoengineering Volume: 12 Issue: 2 Pages: 153-158
  • DOI: 10.2961/jlmn.2017.02.0018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of gold grating structures on fused silica substrates by femtosecond laser irradiation (2017)
  • Author(s): Akihiro Takami, Yasutaka Nakajima, and Mitsuhiro Terakawa
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Issue: 17 Pages: 173103-173103
  • DOI: 10.1063/1.4982759
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of isolated platinum nanowire gratings and nanoparticles on silica substrate by femtosecond laser irradiation (2017)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Nikolay Nedyalkov, Akihiro Takami, Mitsuhiro Terakawa
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 394 Pages: 108-114
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.10.058
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The influence of the thermal diffusivity of the substrates on fabrication of metal nanostructures by femtosecond laser irradiation (2017)
  • Author(s): Akihiro Takami, Yasutaka Nakajima, Nikolay Nedyalkov, Mitsuhiro Terakawa
  • Journal Title: Applied Physics A Volume: 123 Issue: 2 Pages: 126-126
  • DOI: 10.1007/s00339-017-0771-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Femtosecond laser-based formation of electrically conductive silicon carbide on PDMS (2019)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Shuichiro Hayashi, Akito Katayama, Nikolay N. Nedyalkov, Mitsuhiro Terakawa
  • Organizer: SPIE Photonics West 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェムト秒レーザを用いたPDMSの改質による導電性構造作製 (2018)
  • Author(s): 中島康貴、Nedyalkov Nikolay, 片山暁人、寺川光洋
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] フェムト秒レーザー照射による銀/PDMS複合微細構造の作製とその力学センシング応用 (2018)
  • Author(s): 中島 康貴、小幡 孝太郎、町田 茉南、Jurgen Koch、Oliver Suttmann、寺川 光洋
  • Organizer: 第38回レーザー学会年次大会
• [Presentation] 多光子還元と重合によるソフトマテリアルと金属の複合微細構造作製 (2018)
  • Author(s): 中島 康貴、町田 茉南、寺川 光洋
  • Organizer: 電気学会光・量子デバイス研究会
• [Presentation] フェムト秒レーザーを用いたPDMSと銀の複合微細構造作製における銀による光重合への効果 (2018)
  • Author(s): 片山 暁人、中島 康貴、寺川 光洋
  • Organizer: 応用物理学会2018春季講演会
• [Presentation] Fabrication of silver/PDMS composite microstructures by using femtosecond laser (2017)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Kotaro Obata, Manan Machida, Arndt Hohnholz, Jurgen Koch, Oliver Suttmann, and Mitsuhiro Terakawa
  • Organizer: The 18th International Symposium on Laser Precision Microfabrication 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] UV laser photo-polymerization of elastic 2D/3D structures using photo-curable PDMS (polydimethylsiloxane) (2017)
  • Author(s): Oliver Suttmann, Kotaro Obata, Yasutaka Nakajima, Arndt Hohnholz, Jurgen Koch, Mitsuhiro Terakawa, and Ludger Overmeyer
  • Organizer: The 18th International Symposium on Laser Precision Microfabrication 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PDMS/metal composite nanowire fabrication by femtosecond laser direct writing (2017)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Kotaro Obata, Manan Machida, Jurgen Koch, Oliver Suttmann, and Mitsuhiro Terakawa
  • Organizer: International conference on laser ablation 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hybrid UV laser direct writing of UV curable PDMS thin film using aerosol jet printing (2017)
  • Author(s): Arndt Hohnholz, Kotaro Obata, Yasutaka Nakajima, Jurgen Koch, Mitsuhiro Terakawa, Oliver Suttmann, and Ludger Overmeyer
  • Organizer: International conference on laser ablation 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of PDMS/silver composite micro line structures by using 522 nm femtosecond laser (2017)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Mitsuhiro Terakawa
  • Organizer: CIAiS International Symposium 2017
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス(東京都文京区)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェムト秒レーザ照射による光重合と光還元によるPDMS/金属複合微細構造の作製 (2017)
  • Author(s): 中島 康貴, 町田 茉南, 小幡 孝太郎, Jurgen Koch, Oliver Suttmann,寺川 光洋
  • Organizer: 電気学会 光・量子デバイス研究会
  • Place of Presentation: 伊勢市観光文化会館(三重県伊勢市)
• [Presentation] Structure evolution of metal nanowire gratings to nanodots by femtosecond laser irradiation (2016)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Nikolay Nedyalkov, Akihiro Takami, Mitsuhiro Terakawa
  • Organizer: The Second Smart Laser Processing Conference 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2016-05-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of metal nanowire gratings and their structural evolution by femtosecond laser irradiation (2016)
  • Author(s): Yasutaka Nakajima, Nikolay Nedyalkov, Akihiro Takami, Mitsuhiro Terakawa
  • Organizer: Materials Science and Biophysics Seminar
  • Place of Presentation: Boston(USA)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] OSA newsroom
  • URL: https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/metal-silicone_microstructures_could_enable_new_ty/
• [Remarks] ScienceDaily
  • URL: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/11/171101122438.htm
• [Remarks] ScienceNewsline
  • URL: http://www.sciencenewsline.com/news/2017110115590085.html
• [Remarks] PhysORG
  • URL: https://phys.org/news/2017-11-metal-silicone-microstructures-enable-flexible-optical.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] レーザーにより透明材料表面もしくは内部に炭化ケイ素(SiC)を一括作製する方法 (2018)
  • Inventor(s): 寺川光洋、中島康貴
  • Industrial Property Rights Holder: 慶應義塾大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018