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2012 年度 実績報告書

超短パルスレーザーによる金属表面ナノ構造自己形成の機構解明と高効率加工法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 12J04282
研究機関京都大学

研究代表者

清水 雅弘  京都大学, 化学研究所, 特別研究員(PD)

キーワードフェムト秒レーザー / 金属 / アブレーション / 閾値
研究概要

金属のアブレーション(表面から物質が爆発的に放出する現象)が起こるレーザーフルーエンス(単位面積当たりのエネルギー)でフェムト秒レーザーを照射すると,入射レーザー光の波長λよりも短い周期A(試料への垂直入射の場合でA=0.5~0.85λ程度)の縞状の溝構造が,レーザー光の偏光と垂直方向に自己組織的に形成される.金属におけるナノ周期構造の周期は入射レーザーのフルーエンス,波長,入射パルス数によって変化するという特徴をもっている.現在,ナノ周期構造の形成機構の解釈として入射波と表面プラズマ波との干渉,およびパラメトリック崩壊による表面プラズマ波の発生が提案されている.一方,フェムト秒レーザーをアブレーション閾値フルーエンス(以下単にアブレーション閾値と呼ぶ)よりも低いフルーエンスにおいて金属に照射した場合でも,縞状のナノ構造が形成されることが報告されている.縞の間隔は入射レーザー波長の113程度であり,上記のナノ周期構造とは異なる機構で形成されていると考えるのが妥当であるがその形成機構は未だに解明されていない.本研究では,アブレーション閾値以下で生じる金属表面のナノ構造の形成機構解明を目的とした.4種の金属(Cu,Pt,W,Mo)表面における入射パルス数増加に伴う構造の変化を高空間分解能のSEMで観察し,形成機構を電磁界分布シミュレーションによって考察した.入射レーザーの偏光に対して垂直方向を向いたクラックの形成が確認された.クラックの数密度は入射パルス数の増加に伴い増加した.クラックは,金属表面に存在するナノサイズの穴近傍の局所的な電場増強により,穴が成長したものであることが示唆された.今回提案した機構は,アブレーション閾値以上のフルーエンスにおける周期構造形成機構異なるものであり,フェムト秒レーザーと物質との相互作用に関して新たな知見を与えるものと考える.

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

ナノ構造形成メカニズムの完全な解明には至っていないが、各種金属で基礎データが取得できたこと、および、シミュレーションにより新規モデルを提案できたことは評価できると考えている。

今後の研究の推進方策

(1)照射雰囲気を変えた場合の表面構造の発展過程を追う。(2)他の金属においても同様の実験を行い、金属の機械的物性の観点から金属間での表面構造の違いを議論する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件)

  • [雑誌論文] フェムト秒レーザーによる金属表面ナノ構造自己形成2013

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 雑誌名

      電気学会研究会資料

      巻: LAV-12-16 ページ: 3~6

  • [雑誌論文] Plasmonically enhanced Faraday effect in metal and ferrite nanoparticles composite precipitated inside glass2012

    • 著者名/発表者名
      Seisuke Nakashima, ほか
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 20 ページ: 28191~28199

    • DOI

      10.1364/OE.20.028191

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Homogeneous and elongation-free 3D microfabrication by a femtosecond laser pulse and hologram2012

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Yamaji, ほか
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 111 ページ: 083107-1~083107-7

    • DOI

      10.1063/1.4705286

    • 査読あり
  • [学会発表] フェムト秒レーザーによる金属表面ナノ構造自己形成~金属種により異なる表面構造~2013

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 学会等名
      日本物理学会 第68回年次大会
    • 発表場所
      広島大学
    • 年月日
      2013-03-29
  • [学会発表] フェムト秒レーザーによって形成される金属表面ナノ構造のレーザーパルス数依存2013

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 学会等名
      第33回レーザー学会学術講演会
    • 発表場所
      姫路商工会議所
    • 年月日
      2013-01-28
  • [学会発表] フェムト秒レーザーによる金属表面ナノ構造自己形成2012

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 学会等名
      電気学会光応用・視覚研究会
    • 発表場所
      大阪産業大学
    • 年月日
      2012-12-21
  • [学会発表] フェムト秒レーザー照射によるガラス内部の局所温度上昇評価と構造変化メカニズムの検討2012

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 学会等名
      第53回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2012-10-25
  • [学会発表] フェムト秒レーザーアプレーションによる金属表面ナノ構造形成の機構解明2012

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 学会等名
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 年月日
      2012-09-20
  • [学会発表] フェムト秒レーザーによる金属表面ナノ構造自己形成~アプレーション閾値近傍フルーェンスにおける表面構造のパルス数依存性~2012

    • 著者名/発表者名
      清水雅弘, ほか
    • 学会等名
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学
    • 年月日
      2012-09-12

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公開日: 2014-07-16  

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