2023 Fiscal Year Research-status Report
Fabrication of diamond lattice photonic crystals using layer-by-layer deposition
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21K05008
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
山中 淳平 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 教授 (80220424)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥薗 透 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 准教授 (10314725)
豊玉 彰子 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 准教授 (50453072)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | コロイド粒子 / コロイド結晶 / 静電相互作用 / ダイヤモンド格子 / 静電吸着 / フォトニック結晶 / 光学材料 / 光学素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
直径が100nmから1μm程度のコロイド粒子がダイヤモンド格子状に配列した構造は、可視から赤外光を閉じ込める「完全フォトニック結晶」として働く。本研究では、「2次元の負荷電コロイド結晶」を基板とし、その上に(+)および(-)に荷電したコロイド粒子を交互に積層することで、コロイド粒子のダイヤモンド格子を構築する。
令和5年度は、昨年に引き続き、 (+)および(-)に荷電した直径1μmのシリカ粒子を用い、(i) 3D荷電結晶の正荷電基板への静電吸着による2Dコロイド結晶を作製した。また、(ii) (+)粒子の吸着による２層目の構築に成功した。さらに、 (iii)第2層に(-)粒子を吸着させて第3層を構築できた。相互作用ポテンシャルに基づく安定な立体配置を計算し、実験の指針とした。共焦点レーザースキャン顕微鏡を用いて行い、各層の動径分布関数 g(r)およびボンド配向秩序パラメーターΨ3を計算して、結晶性を評価した。
さらに、得られた構造がフォトニック結晶として機能するか、確認するために、時間領域有限差分法（FDTD法）を用いた計算機シミュレーションによる光学特性の評価を行った。２次元のコロイド粒子のダイヤモンド格子は、例えば200nmのチタニア粒子を用いた場合、層数が３層の場合でも、可視域に明確な吸収帯を持つことが明らかになった。以上の結果は、イギリス王立化学会のソフトマテリアルに関する専門誌である SoftMatter誌に投稿し、掲載された。また、大学広報よりプレスリリースされ、電子および紙媒体のいくつかのニュースに掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究期間内に、 (1)粒子間静電相互作用と摩擦力の調節、(2)多層化、(3) 光学特性評価の3項目を順次検討することを目標としている。これらの目標は全て達成しており、また以上の結果をまとめて、論文が掲載された。
本課題は発展的に継続する予定で、本年度１年間の延長申請が認められた。すでに、結晶作製法の改善と、構造形成に関する計算機シミュレーション、光学特性に関する計算機シミュレーションを検討開始しており、残りの研究期間内で、スペックが一層向上するものと期待できる。このため、進捗状況として「当初の計画以上に進展している」ものと評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、（１）結晶作製法の改善と、（２）構造形成に関する計算機シミュレーション、（３）光学特性に関する計算機シミュレーションを実施する。（１）に関しては、塩基の拡散を利用した方法が有効であることが明らかになり、現在作製条件の詳細検討を行っている。また、（２）に関しては、モンテカルロシミュレーションにより、粒子サイズや塩濃度の最適値が明らかになっている。また、（３）として、積層構造に応じFDTD法により反射および透過スペクトルの計算を併せて実施する。
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| Causes of Carryover |
次年度繰越218,033円
本研究を継続して発展させるため、２０２４年度の１年間、本研究を延長することが認められたため、標記の金額を繰越した。研究上必要な消耗品、学会発表など出張旅費に充当させていただく予定である。
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