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2016 年度 実績報告書

局所的短パルス加熱による材料プロセスでの現象解明とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 26289266
研究機関北海道大学

研究代表者

越崎 直人  北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40344197)

研究分担者 石川 善恵  国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 主任研究員 (20509129)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードナノ材料 / パルス加熱 / 局所加熱 / 球状粒子 / 表面処理
研究実績の概要

液体中に分散した熱容量の小さい粒子に選択的にパルスレーザー光を吸収させて溶融を引き起こさせることにより金属やセラミックスの結晶性サブミクロン球状粒子の作製する「液中レーザー溶融法」を開発した。この手法の本質は「局所的短パルス加熱」であり、従来の材料プロセスの「大空間長時間均一加熱」の対極をなす加熱法であるが、実際にその過程で起こっている現象の詳細は明らかになっていない。そこで、本研究ではこのプロセスのメカニズムを明らかにすることを目指して、生成物からのプロセス評価、高速分光評価、シミュレーションによる解析、の3つのアプローチにより研究を進めた。
生成物からのプロセス評価に関しては、パルス幅(40ps、7ns、50nsの3種類)の異なるレーザー光を利用して酸化亜鉛などのサブミクロン球状粒子を作製し、得られた粒子の形態観察からサブミクロン球状粒子生成レーザーフルーエンスのしきい値に及ぼすレーザーパルス幅の効果について検討した。その結果、パルス幅が短くなるほど球状粒子が生成するレーザーフルーエンスのしきい値が小さくなる傾向が認められた。この現象を説明するため、エネルギー損失を考慮に入れたモデルを用いてシミュレーションを行い、粒子と液体の界面に蒸気層が生成する仮定することで、このような現象をうまく説明することができた。また、この計算過程で生成が予測された蒸気層の可視化を目指した高速分光の検討も平行して進めた。さらに、蒸気層の生成時間は高々100ns程度、その厚さは表面から50nm程度、温度の急速な減少は蒸気膜の生成により短パルスレーザーを使うほど短時間に融点まで到達すること、液相をエタノールに変えると熱伝導度の違いを反映して蒸気膜の生成時間と表面から厚さが大きく増加することなどもシミュレーションにより明らかになった。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

28年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Double threshold behavior in a resonance-controlled ZnO random laser2017

    • 著者名/発表者名
      Ryo Niyuki, Hideki Fujiwara, Toshihiro Nakamura, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki, Takeshi Tsuji, and Keiji Sasaki
    • 雑誌名

      APL Photonics

      巻: 2 ページ: 36101

    • DOI

      10.1063/1.4974334

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pulse-Width dependence of the cooling effect on sub-micrometer ZnO spherical particle formation by pulsed-laser melting in a liquid2017

    • 著者名/発表者名
      Shota Sakaki, Hiroshi Ikenoue, Takeshi Tsuji, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 雑誌名

      ChemPhysChem

      巻: 18 ページ: 1101-1107

    • DOI

      10.1002/cphc.201601175

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Various morphologies/phases of gold-based nanocomposite particles produced by pulsed laser irradiation in liquid media: Insight in physical processes involved in particles formation2017

    • 著者名/発表者名
      Zaneta Swiatkowska-Warkocka, Alexander Pyatenko, Kenji Koga, Kenji Kawaguchi, Hongqiang Wang, Naoto Koshizaki
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry C

      巻: 121 ページ: 8177-8187

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b00187

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Preparation of gold submicron-sized particles using laser irradiation for gold nanoparticles stabilized by carbonate2016

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Tsuji, Isami Takade, Masaharu Tsuji, Yoshie Ishimawa, Naoto Koshizaki
    • 雑誌名

      Electronics and Communications in Japan

      巻: 99(10) ページ: 64-70

    • DOI

      10.1002/ecj.11875

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Submicrometer-sized spherical iron oxide particles fabricated by pulsed laser melting in liquid2016

    • 著者名/発表者名
      Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki, Alexander Pyatenko
    • 雑誌名

      Electronics and Communications in Japan

      巻: 99(11) ページ: 37-42

    • DOI

      10.1002/ecj.11898

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Synthesis of various 3D porous gold-based alloy nanostructures with branched shapes2016

    • 著者名/発表者名
      Zaneta Swiatkowska-Warkocka, Alexander Pyatenko, Naoto Koshizaki, Kenji Kawaguchi
    • 雑誌名

      Journal of Colloid and Interface Science

      巻: 483 ページ: 281-286

    • DOI

      10.1016/j.jcis.2016.08.051

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 液中レーザ溶融法の最近の進展2017

    • 著者名/発表者名
      越崎 直人、石川 善恵、辻 剛志、中村 貴宏
    • 学会等名
      日本化学会 第97春季年会 (2017)
    • 発表場所
      慶應義塾大学 日吉キャンパス、横浜市
    • 年月日
      2017-03-19
    • 招待講演
  • [学会発表] 液中レーザー溶融法によるシリコンサブミクロン球状粒子生成に及ぼすフッ酸処理の効果2017

    • 著者名/発表者名
      若月 雄哉、越崎 直人、石川 善恵
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜、横浜市
    • 年月日
      2017-03-14
  • [学会発表] 液中ピコ秒パルスレーザー加熱による窒化チタン球状粒子の合成2017

    • 著者名/発表者名
      榊 祥太、越崎 直人、 齋藤 健一、坂本 全教、和田 裕之、石川 善恵
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜、横浜市
    • 年月日
      2017-03-14
  • [学会発表] Laser-induced transition metal-based composite particle formation in liquid: insight in physico-chemical processes2017

    • 著者名/発表者名
      Zaneta Warkocka Swiatkowska, Alexander Pyatenko, Kenji Kawagchi, Naoto Koshizaki, Marta Wolny-Marszalek
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜、横浜市
    • 年月日
      2017-03-14
  • [学会発表] Size-selective nanoparticle fabrication utilizing particle vaporization conditions for pulsed laser melting in liquid2017

    • 著者名/発表者名
      Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      第34回プラズマプロセシング研究会/第29回プラズマ材料科学シンポジウム(合同会議)
    • 発表場所
      北海道大学 学術交流会館、札幌市
    • 年月日
      2017-01-17
  • [学会発表] Internal composite structures of Au-Fe submicrometer spherical particles fabricated by pulsed laser melting in liquid2017

    • 著者名/発表者名
      Hokuto Fuse, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      第34回プラズマプロセシング研究会/第29回プラズマ材料科学シンポジウム(合同会議)
    • 発表場所
      北海道大学 学術交流会館、札幌市
    • 年月日
      2017-01-17
  • [学会発表] Numerical analysis of submicrometer spherical particle formation during pulsed laser melting in liquid2017

    • 著者名/発表者名
      Shota Sakaki, Hiroshi Ikenoue, Takeshi Tsuji, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      第34回プラズマプロセシング研究会/第29回プラズマ材料科学シンポジウム(合同会議)
    • 発表場所
      北海道大学 学術交流会館、札幌市
    • 年月日
      2017-01-17
  • [学会発表] Pulse-frequency dependence on nano and submicrometer spherical particles synthesized by pulsed laser melting in liquid2017

    • 著者名/発表者名
      Shota Sakaki, Hiroshi Ikenoue, Takeshi Tsuji, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      第34回プラズマプロセシング研究会/第29回プラズマ材料科学シンポジウム(合同会議)
    • 発表場所
      北海道大学 学術交流会館、札幌市
    • 年月日
      2017-01-16
  • [学会発表] 液中レーザー溶融法によるサブミクロン球状粒子の合成に及ぼす冷却過程の影響2017

    • 著者名/発表者名
      榊祥太、越崎直人、池上浩、石川善恵、辻剛志
    • 学会等名
      一般社団法人レーザー学会学術講演会 第37回年次大会
    • 発表場所
      徳島大学 常三島キャンパス、徳島市
    • 年月日
      2017-01-08
  • [学会発表] 塩保護金ナノ粒子のレーザー誘起凝集を用いた金サブミクロン粒子の作製2017

    • 著者名/発表者名
      安達泰精、浅海千明、辻剛志、石川善恵、越崎直人
    • 学会等名
      一般社団法人レーザー学会学術講演会 第37回年次大会
    • 発表場所
      徳島大学 常三島キャンパス、徳島市
    • 年月日
      2017-01-08
  • [学会発表] 光照射によるシリコン粒子溶融条件の解明とサブミクロン球状粒子合成2017

    • 著者名/発表者名
      若月雄哉、越崎直人、石川善恵
    • 学会等名
      第52回応用物理学会北海道支部/第13回日本光学会北海道支部合同学術講演会
    • 発表場所
      北見工業大学、北見市
    • 年月日
      2017-01-08
  • [学会発表] Mechanical Property of Crystalline Submicrometer Spherical Particles2016

    • 著者名/発表者名
      Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      The 19th HU and SNU Joint Symposium/The 12th Joint Symposium on Mechanical and Aerospace Engineering
    • 発表場所
      Hokkaido University、札幌市
    • 年月日
      2016-12-19
  • [学会発表] サブミクロン球状粒子の破壊特性評価2016

    • 著者名/発表者名
      近藤光彦、宍戸信之、神谷庄司、石川善恵、越崎直人
    • 学会等名
      平成28年度日本鉄鋼協会・日本金属学会両北海道支部合同冬期講演大会
    • 発表場所
      室蘭工業大学、室蘭市
    • 年月日
      2016-12-16
  • [学会発表] 後方散乱電子回折法による銀サブミクロン球状粒子の内部構造解析とその形成メカニズム2016

    • 著者名/発表者名
      中村 貴宏、真柄 英之、佐藤 俊一、榊 祥太、越崎 直人
    • 学会等名
      日本金属学会 2016年秋期(第159回)講演大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス、吹田市
    • 年月日
      2016-09-22
  • [学会発表] 液中レーザー溶融法によるシリコンサブミクロン球状粒子の生成2016

    • 著者名/発表者名
      若月 雄哉、越崎 直人
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ:新潟コンベンションセンター、新潟市
    • 年月日
      2016-09-14
  • [学会発表] 液中レーザー溶融法における冷却効果を考慮した粒子温度の推定2016

    • 著者名/発表者名
      榊 祥太、越崎 直人、池上 浩、石川 善恵、辻 剛志
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ:新潟コンベンションセンター、新潟市
    • 年月日
      2016-09-14
  • [学会発表] サブミクロン球状粒子の機械的特性の計測2016

    • 著者名/発表者名
      近藤 光彦、宍戸 信之、神谷 庄司、石川 善恵、越崎 直人
    • 学会等名
      日本機械学会 2016年度年次大会
    • 発表場所
      九州大学 伊都キャンパス、福岡市
    • 年月日
      2016-09-12
  • [学会発表] 空間選択的パルス加熱による球状粒子合成2016

    • 著者名/発表者名
      越崎直人、榊祥太、安田圭佑、石川善恵
    • 学会等名
      公益社団法人 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス、東広島市
    • 年月日
      2016-09-09
    • 招待講演
  • [学会発表] 液中レーザー溶融法で作製した銀サブミクロン球状粒子の内部構造解析とその形成メカニズム2016

    • 著者名/発表者名
      中村貴宏、真柄英之、佐藤俊一、榊祥太、越崎直人
    • 学会等名
      公益社団法人 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス、東広島市
    • 年月日
      2016-09-09
  • [学会発表] 液中レーザー溶融法におけるレーザー照射方法の違いが生成粒子に及ぼす影響2016

    • 著者名/発表者名
      髙井 亮佑、越崎 直人、石川 善恵、伯田 幸也
    • 学会等名
      化学工学会 第48回秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学 常三島キャンパス、徳島市
    • 年月日
      2016-09-07
  • [学会発表] 塩保護金ナノ粒子のレーザー誘起凝集を用いた金サブミクロン粒子の作製2016

    • 著者名/発表者名
      辻剛志、浅海千明、安達泰精、石川善恵、越崎直人
    • 学会等名
      2016年 光化学討論会
    • 発表場所
      東京大学駒場第一キャンパス、東京都
    • 年月日
      2016-09-06
  • [学会発表] Preparation of submicron-sized spherical particles using laser-induced agglomeration of nanoparticles2016

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Tsuji, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      The 10th Asia-Pacific Laser Symposium (APLS 2016)
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      2016-05-13
    • 国際学会
  • [学会発表] Pulse width effect on particle melting in liquid by nanosecond pulsed laser irradiation2016

    • 著者名/発表者名
      Shota Sakaki, Naoto Koshizaki, Hiroshi Ikenoue, Takeshi Tsuji, Yoshie Ishikawa
    • 学会等名
      4th Conference on Advanced Nanoparticle Generation and Excitation by Lasers in Liquids (ANGEL)
    • 発表場所
      Essen, Germany
    • 年月日
      2016-05-12
    • 国際学会
  • [学会発表] Nano-sphere formation by pulsed laser melting in liquid2016

    • 著者名/発表者名
      Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      4th Conference on Advanced Nanoparticle Generation and Excitation by Lasers in Liquids (ANGEL)
    • 発表場所
      Essen, Germany
    • 年月日
      2016-05-12
    • 国際学会
  • [学会発表] Pulsed laser melting in liquid for submicrometer spherical particles - formation mechanism and applications2016

    • 著者名/発表者名
      Naoto Koshizaki
    • 学会等名
      4th Conference on Advanced Nanoparticle Generation and Excitation by Lasers in Liquids (ANGEL)
    • 発表場所
      Essen, Germany
    • 年月日
      2016-05-09
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Inner structural analysis of silver submicron spherical particles fabricated by pulsed laser melting in liquid2016

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Nakamura, Hideyuki Magara, Shota Sakaki, Naoto Koshizaki, Shunichi Sato
    • 学会等名
      4th Conference on Advanced Nanoparticle Generation and Excitation by Lasers in Liquids (ANGEL)
    • 発表場所
      Essen, Germany
    • 年月日
      2016-05-09
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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