研究課題/領域番号 |
22K14519
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研究種目 |
若手研究
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配分区分 | 基金 |
審査区分 |
小区分26050:材料加工および組織制御関連
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研究機関 | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
研究代表者 |
吉田 剛 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 電気情報学群, 講師 (30837456)
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研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
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キーワード | レーザー加工 / 超短パルスレーザー / 電気化学反応 / 電気二重層 |
研究開始時の研究の概要 |
本研究の目的は、電気二重層により生じる電場とレーザー誘起電解蒸発を組み合わせた新規加工現象の原理的な検証のために、電解液中レーザーアブレーション装置を新たに構築し、印加電圧を制御しながら各材料のレーザー加工閾値を調査することである。 電解液中において、ポテンショスタットにより金属や半導体材料を作用電極として印可電圧を制御しながらフェムト秒レーザーの照射実験を行うための装置を構築する。それにより様々な電圧印加状態における各材料のレーザー加工閾値を測定し、印加電圧とレーザー加工閾値との相関や加工痕の形状などについて調査する。
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研究実績の概要 |
本研究は極めて強い電圧印可条件における超短パルスレーザー照射によるレーザー照射による熱影響を極限まで取り除いた新規物質除去現象を探求することを目的としている。fsレーザーを使用したレーザーアブレーション加工は極めて短いパルス幅による局所的な加熱により長いパルス幅を持つレーザーと比較して高品質な加工痕を得られることが知られているが、近年の二次元物質の加工や構造形成の微細化の要請により、将来的に更なる熱影響の低減の要請が予想される。 本目的を達成する具体的方法として、電解液中において電極表面に形成される電気二重層が電極表面に極めて強い電場を発生させることを利用し、その強い電場とフェムト秒レーザーの局所的な加熱を組み合わせることで従来のアブレーションより低い加工閾値を持った加工の可能性を探る。加工閾値を低下させることは熱源となるレーザー照射のエネルギー自体を低下させ、熱影響の低減につながると期待される。 本研究計画は2022年度に電解液中におけるレーザー照射を行う実験装置の構築、2022年度-2024年度にかけてAlなどの金属材料、Siなどの半導体材料において電解液中におけるレーザー照射の実験を行い、結果を報告する予定である。 2022年度には実験装置の構築とNaCl水溶液系での金属に対するfsレーザー照射実験を行った。現有のフェムト秒レーザー光源と、本助成金により購入したポテンショスタット、光学部品を組み合わせることで電解液中で作用電極に任意の電位を印加しつつフェムト秒レーザー照射が可能な垂直照射型の光学系を構築した。 現在、構築した実験装置を用いて銅、アルミニウムなどの金属サンプルに対して電解液中におけるレーザー照射の実験を進めている。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究計画は2022年度中に実験装置の構築を行い、2023-2024年度にかけて装置の改良と金属、半導体サンプルに対するレーザー照射の実験進める予定である。 2022年度に電解液中でのfsレーザー照射を行う実験装置に必要な光学部品、ポテンショスタットなどの購入と実験装置の構築が終了し、いくつかのサンプルに対して電圧印可条件下でレーザー照射を試みている。ある金属サンプルでは電圧印可とレーザー照射を同時に行った際にレーザー加工痕の形状に顕著な変化がみられた。レーザー照射により局所的に温度が上昇し、金属表面での電気化学的プロセスによる原子脱離が進行したと解釈している。この現象がレーザーアブレーションによる穴形成よりも低いフルエンスでも起きる可能性が高いことを示唆する結果が得られており、現在その結果について内容をまとめ、発表を予定している。 以上の理由により、本研究課題の進行はおおむね順調に進展していると判断した。
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今後の研究の推進方策 |
現在、電解液を1 M食塩水として金属材料を中心に電圧印可とレーザー照射を別々、同時に行った場合に形成される加工痕形状の違いについて調べている。現在ではCuを中心にレーザー照射の実験を行っているが、本年度はAlやAuなど様々な金属に対象を広げ実験を進める予定である。また、今後の進展により電解液についても現在使用しているNaCl水溶液だけでなく、より金属イオンとの錯体を形成しずらいハロゲンイオンを持たない塩についても実験を行う予定である。 また、現在の実験で使用しているレーザーの波長1040 nmについて、高調波発生装置と組み合わせ520 nmでのレーザー照射を可能にするよう改良を検討している。波長の変化による加工痕への影響についても今後の実験の進展に応じて調査を検討している。
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