Fabrication of diamond lattice photonic crystals using layer-by-layer deposition

使用逐层沉积法制造金刚石晶格光子晶体

基本信息

批准号：
21K05008
负责人：
山中淳平
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya City University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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、最近開発した「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４年度は、粒子として (+)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。２、３層目の吸着にあたって、粒子のζ電位と系の塩濃度により静電引力の大きさを制御した。その際、様々な条件における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。(-)電荷を持つ第1層の三角格子の中央に正電荷の粒子が吸着すると、第2層目が得られる。エネルギー最安定の配置を求めたところ、塩濃度によらず、三角格子の中央であることが分かった。しかし、(+)粒子は１層目の１粒子のみに接触するか、２粒子の中央に配置する場合が多かった。静電引力が強いとき、粒子間の摩擦力が大きいため、最安定の配置に位置せず、非平衡の配置に止まるものと思われる。このため、静電相互作用の弱い条件を選んだ。格子構造の評価は３次元構造が取得できる、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。1,2,3層目のg(r)のピーク位置はよく一致し、粒子は（平均して）正四面体状に配置していることが明らかになった。またΨ3から、格子は良好な秩序性を持つことが明らかになった。

该结构中直径约 100 nm 至 1 μm 的胶体颗粒排列成菱形晶格图案，充当限制可见光至红外光的“完美光子晶体”。在这项研究中，我们使用最近开发的“二维带负电胶体晶体”作为基底，并通过在其顶部交替堆叠（+）和（-）带电胶体颗粒来构建胶体颗粒的金刚石晶格。 2020年，我们使用直径为1μm的（+）和（-）带电二氧化硅颗粒作为颗粒，并且（i）通过将3D带电晶体静电吸附到带正电的基材上来生产2D胶体晶体。此外，（ii）我们成功地通过吸附（+）颗粒构建了第二层。此外，(iii)第三层可以通过将(-)颗粒吸附至第二层来构造。对于第二层和第三层的吸附，静电引力的大小由颗粒的电位和系统的盐浓度控制。当时，我们根据各种条件下的相互作用势计算了稳定构型，并将其用作实验指南。当带正电的粒子被吸附到带(-)电的第一层的三角形晶格的中心时，获得第二层。当我们找到能量最稳定的构型时，我们发现它是三角形晶格的中心，无论盐浓度如何。然而，在许多情况下，(+)颗粒仅接触第一层中的一个颗粒或放置在两个颗粒的中心。当静电引力较强时，颗粒之间的摩擦力较大，因此认为颗粒不会处于最稳定的构型，而是保持在非平衡构型。因此，选择了具有弱静电相互作用的条件。使用可以获得三维结构的共焦激光扫描显微镜评估晶格结构，并通过计算各层的径向分布函数g(r)和键取向有序参数Ψ3来评估结晶度。第一层、第二层和第三层中的 g(r) 峰值位置匹配良好，并且很明显颗粒（平均）以规则的四面体图案排列。此外，Ψ3表明晶格具有良好的有序性。

项目成果

期刊论文数量（16）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

荷電コロイド粒子の会合と基板への静電吸着による構造形成

通过带电胶体颗粒缔合和静电吸附到基材上形成结构

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
山中淳平;藤田みのり;青山柚里奈;石神瑛圭;三木裕之;豊玉彰子;奥薗透
通讯作者：
奥薗透

Single-Sheet Diamond Colloidal Crystals Formed by Layer-by-Layer Electrostatic Self-Assembly

层层静电自组装形成单片金刚石胶体晶体

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
M.Fujita;A.Toyotama;T.Okuzono;J.Yamanaka
通讯作者：
J.Yamanaka

コロイド系の構造形成と宇宙実験

胶体体系的结构形成和空间实验

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Saito Noboru;Ryuzaki Sou;Tsuji Yuta;Noguchi Yutaka;Matsuda Rintaro;Wang Pangpang;Tanaka Daisuke;Arima Yusuke;Okamoto Koichi;Yoshizawa Kazunari;Tamada Kaoru;山中淳平
通讯作者：
山中淳平

コロイド粒子の自己集合による構造形成

通过胶体颗粒自组装形成结构

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tsuji Yuta;Yoshioka Yuta;Hori Mikiya;Yoshizawa Kazunari;山中淳平
通讯作者：
山中淳平

Space Experiments on Clustering of Charged Colloids

带电胶体团聚的空间实验

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
J. Yamanaka,H. Miki;T.Ishigami;Y.Mori;M.Fujita; A. Toyotama;T.Okuzono;S.Adachi;T.Sakashita;T.Shimaoka;M.Nagai;Y. Watanabe;S.Fukuyama;and Y.Nakata
通讯作者：
and Y.Nakata