フェムト秒レーザーによる薄膜表面のナノ構造生成過程の解明とモデル構築

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15360030
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 宮崎 健創 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (50293957)
• 研究分担者: 安丸 尚樹 福井工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (90158006)
• キーワード: フェムト秒レーザー / ナノテクノロジー / ダイヤモンド状炭素膜 / ナノ構造形成 / ガラス状炭素 / 表面改質 / ラマンスペクトル / 反射率

研究概要

本研究の目的は,フェムト秒レーザーによる新しいナノテクノロジーの可能性を念頭におき,筆者らが発見した薄膜表面におけるナノ構造生成を担っている物理過程を実験的に特定し,構造生成のための相互作用条件を明らかにすること,及びその知見によってナノ構造生成過程のモデル構築を行うことである。
本年度は,ダイヤモンド状炭素(DLC)薄膜表面のナノ構造生成の実験条件を明らかにすると共に,この現象を実時間検出する手法を確立するため以下の研究を行った。
1)従来からのフェムト秒(fs)レーザーに加えて,レーザー発振器,パルス伸長器,再生増幅器,及びパルス圧縮器から構成されるfsレーザーシステム(120fs,1.7mJ,10Hz)を開発し,照射実験を行った。
2)走査型電子顕微鏡,走査型プローブ顕微鏡を用いて照射DLCの表面形態変化を観測し,ナノ構造生成のための照射条件を明らかにした。
3)同条件下近傍で照射フルーエンスに対するDLC膜表面での反射率測定を行った結果,表面ナノ構造の生成と反射率との間に相関関係があること,及びパルスの重畳効果がナノ構造の生成に大きく寄与していること等を明らかにした。
4)DLC膜表面のマンスペクトルを観測した結果,照射フルーエンス0.123〜0.167J/cm^2で,DLCがガラス状炭素(GC)層に改質されていることを発見した。この表面改質は,表面ナノ構造の形成と同時に生じているが,ナノ構造生成の条件とは異なりレーザー波長や偏光に大きくは依存しない。
以上の結果から,DLC膜表面でのナノ構造生成とGCへの改質を実時間でモニターする手法を開発できる見通しを得ると共に,相互作用過程について基礎的な知見を得ることができた。今後,反射率の超高速時間変化を測定することによりナノ構造と表面改質の物理過程を解明する。

研究成果

• [文献書誌] N.Yasumaru, K.Miyazaki, J.Kiuchi, H.Magara: "Femtosecond-Laser-Induced Manostructures Formed on Hard Coatings of TiN and DLC"Proc.of SPIE. 4830. 521-525 (2003)
• [文献書誌] K.Miyazaki, M.Nakamura, T.Matsushita, N.Maekawa, K.Masuda: "High-intensity, ultrashort-pulse lasers for advanced material control"Proc.of the first International Symposium on Sustainable Energy System. 116 (2003)
• [文献書誌] N.Yasumaru, K.Miyazaki, J.Kiuchi: "Femtosecond-laser-induced nanostructure formed in hard thin films of TiN and DLC"Appl.Phys.A : Material Science & Processing. 76・6. 983-985 (2003)
• [文献書誌] N.Yasumaru, K.Miyazaki, J.Kiuchi, H.Magara: "Periodic nanostructures formed on hard thin films by femtosecond laser pulses"Proc. of The Third Asian Pacific Laser Symposium. 594-597 (2003)
• [文献書誌] K.Miyazaki, T.Shimizu, D.Normand: "Coulomb explosion dynamics of nitrogen molecules with high-intensity femtosecond laser pulses"Proc.of the Third Asian Pacific Laser Symposium. 322-325 (2003)
• [文献書誌] 安丸尚樹, 木内淳介, 宮崎健創: "「高機能硬質膜のレーザー表面加工・改質技術の開発」-フェムト秒レーザーによる光ナノ加工技術の開発と機能性薄膜への応用-"テクノふくい. 68. 20-22 (2003)
• [文献書誌] 安丸尚樹, 宮崎健創, 木内淳介: "レーザーによる硬質膜のレーザー表面の周期的ナノ構造の形成と制御"レーザー学会第316回研究会報告No.RTM-03-31〜37. 31-35 (2003)
• [文献書誌] 安丸尚樹, 木内淳介, 宮崎健創: "3Dレーザープロセス加工技術の開発"福井県地域結集型共同研究事業第3回成果発表会 資料集. 222-227 (2003)
• [文献書誌] K.Miyazaki, T.Shimizu, M.Nakamura, K.Masuda, D.Normand: "Femtosecond-laser-indeuced alignment in Coulomb explosion of nitrogen molecules"Proc.of CLEO/Pacific Rim 2003. 175 (2003)
• [文献書誌] N.Yasumaru, K.Miyazaki, J.Kiuchi: "Periodic nanostructure formed on TiN and DLC by femtosecond laser pulses"Proc.of CLEO/Pacific Rim 2003. 665 (2003)
• [文献書誌] K.Miyazaki, T.Shimizu, D.Normand: "Femtosecond-laser-induced alignment in Coulomb explosion of N2"J.Phys.B : At.Mol.Opt.Phys. 37・4. 753-761 (2004)
• [文献書誌] M.Kaku, K.Masuda, K.Miyazaki: "High-order harmonic generation from molecules aligned by femtosecond laser pulses"Proc.of the 4th Asian pacific laser symposium. (in press). (2004)
• [文献書誌] N.Maekawa, W.Kobayashi, M.Kaku, K.Miyazaki: "Femtosecond-laser-induced structural change of diamond-like carbon film"Proc.of the 4th Asian pacific laser symposium. (in press). (2004)
• [文献書誌] M.Kaku, K.Masuda, K.Miyazaki: "Observation of revival structure in femtosecond-laser-induced alignment of N2 with high-order harmonic generation"Jpn J.Appl.Phys. 43・4B(in press). (2004)
• [文献書誌] N.Yasumaru, K.Miyazaki, J.Kiuchi: "Glassy carbon layer formed in diamond-like carbon films with femtosecond laser pulses"Appl.Phys.A, Material Science and Processing. 178(in press). (2004)