2016 Fiscal Year Research-status Report
光誘起液相プラズマ反応場を利用したナノダイヤモンドの合成
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16K13929
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
下間 靖彦 京都大学, 工学研究科, 准教授 (40378807)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | レーザー / 液相アブレーション / プラズマ / ナノダイヤモンド / 酸化グラフェン / 発光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超短パルスレーザー光を液体内部に集光照射すると、その集光部近傍はプラズマが形成される。このプラズマ領域は周囲の液体によって閉じ込められるため、膨張が抑制される。本研究では、液相中で形成される超高密度・高圧なプラズマ状態を反応場として活用し、これまで爆轟法では直接合成が困難であった数ナノメートルサイズのナノダイヤモンドの合成技術を開発する。特に、アモルファスカーボン、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブなどの各種炭素材料を固体ターゲットとして、各種溶媒分子中で液相レーザーアブレーションさせる。液相レーザーアブレーションのメカニズム解明を行うとともに、合成されるダイヤモンド構造にホウ素や窒素などの不純物ドーピング技術を確立する。
本年度は、酸化グラフェンを各種溶媒（水、エタノール、シクロヘキサン）に分散させた懸濁液にフェムト秒レーザーを集光照射させ、ナノダイヤモンド粒子を合成した。合成されたナノダイヤモンド粒子の構造は立方晶もしくは六方晶ダイヤモンド構造を持つことを確認した。特に、酸化グラフェン/水系で合成されたナノダイヤモンド粒子の発光スペクトルは、他の溶媒で合成されたものと異なり、ナノダイヤモンド本来の発光であると示唆された。さらに興味深いことに、固体の炭素源（酸化グラフェン）を含まない有機溶媒（エタノール、シクロヘキサン）のみにフェムト秒レーザーを集光した場合においても、同様のナノダイヤモンド粒子が生成されることをTEM観察により明らかにした。また、反応中間体と考えられるカーボンオニオンの生成も確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は（１）高効率ナノ粒子合成技術の開発、（２）ナノ粒子形成メカニズムの解明、の研究課題に取り組む予定であった。
本年度までに研究課題（１）については、偏光方向を制御したフェムト秒ダブルパルス列の利用がナノ粒子生成に効果的であることを見出した。
さらに研究課題（２）については、酸化グラフェンを固体炭素原料として利用することによって、溶媒分子に炭素を含まない水中でナノダイヤモンドを合成することに成功した。レーザー照射により溶媒分子も変質し、ダイヤモンド構造を含む蛍光性ナノカーボン粒子の生成が示唆されたが、本年度明らかにしたナノダイヤモンド本来の発光スペクトルの性質によって、ナノダイヤモンドの発光メカニズムを明らかにできた。次年度は本年度明らかにした発光スペクトルにより、ナノダイヤモンドの形成メカニズム解明に取り組む。
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| Strategy for Future Research Activity |
溶媒分子として、ラジカル反応を起こしやすいシクロヘキサン、還元作用のあるプロパノール等のアルコール、ジメチルホルムアミド等の非プロトン性極性溶媒、水などの溶媒分子がフェムト秒レーザー照射により、どのように解離するのかを明らかにする。
溶媒分子自体の光誘起構造変化は、FTIRやラマン分光により評価する。
さらに生成したナノダイヤモンド表面に吸着した官能基は、ナノテクノロジープラットフォーム事業の装置群（XPS、IPES、PYS）を活用して評価する。さらに合成したナノダイヤモンドの発光スペクトルを制御するため、ヘキサメチレンテトラミンやアダマンタンなどの有機分子を溶媒に分散した溶媒をターゲットとして液相レーザーアブレーションを行い、合成されるナノダイヤモンドにBやNなどの不純物ドープを目指す。
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[Journal Article] Diamond photonics platform enabled by femtosecond laser writing2016
Author(s)
B. Sotillo, V. Bharadwaj, J. P. Hadden, M. Sakakura, A. Chiappini, T. T. Fernandez, S. Longhi, O. Jedrkiewicz, Y. Shimotsuma, L. Criante, R. Osellame, G. Galzerano, M. Ferrari, K. Miura, R. Ramponi, P. E. Barclay, S. M. Eaton
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Journal Title
Sci. Rep.
Volume: 6
Pages: 35566
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Observation of stress dynamics after fs laser irradiation inside diamond2016
Author(s)
M. Sakakura, T. Okada,V. Bharadwaj, B. Sotillo, S. Eaton, R. Ramponi, T. Fernandez, A. Serpenguzel, U. Gokay, Y. Shimotsuma, K. Miura
Organizer
JSAP-OSA Joint Symposia
Place of Presentation
朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
Int'l Joint Research
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[Presentation] Diamond quantum photonics platform enabled by femtosecond laser processing2016
Author(s)
T. T. Fernandez, V. Bharadwaj, B. Sotillo, J. P. Hadden, M. Sakakura, A. Chiappini, S. Longhi, R. Osellame, G. Galzerano, Y. Shimotsuma ,M. Ferrari, K. Miura, R. Ramponi, P. E Barclay, S. M Eaton
Organizer
JSAP-OSA Joint Symposia
Place of Presentation
朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Femtosecond laser written photonic circuits in diamond for quantum information2016
Author(s)
S. M. Eaton, B. Sotillo, V. Bharadwaj, M. Sakakura, Y. Shimotsuma, A. Chiappini, M. Ferrari, J. P. E. Hadden, P. E. Barclay, K. Miura, R. Ramponi
Organizer
ICTON 2016
Place of Presentation
トレント（イタリア）
Year and Date
2016-07-10 – 2016-07-14
Int'l Joint Research / Invited
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