マイクロ・ナノ構造光学素子の大面積ガラス成形における原子スケールの界面制御

微米和纳米结构光学元件大面积玻璃成型中的原子级界面控制

• 批准号: 20F20368
• 负责人: 閻 紀旺
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-11-13 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20F20368/
• 关键词: ガラス成形; 金型加工; 超精密切削; グラフェン成膜; 微細構造表面; 超硬合金; SiC; レンズアレイ; プレス成形; 自由曲面

光学デバイスなどに用いられているガラス材料はそれ自体で固有の機能を有しているが、その材料表面にマイクロ・ナノレベルの規則的な微細構造を形成することにより、表面機能が飛躍的に向上されることが知られている。本研究では、単結晶ダイヤモンド工具を用いて切削した自由曲面金型表面へグラフェン成膜を行い、ガラスプレス成形技術へ応用し、マイクロ・ナノスケールの微細構造の大面積成形を行う際の界面現象を原子レベルで解明する。本研究により、バイオニック構造やマイクロレンズアレイ、低反射表面など様々な機能性表面の高精度加工およびその低コスト化が期待できる。2022年度では、前年度で切削加工した金型表面へグラフェン成膜を行い、異なる条件での成膜特性の調査を行い、成膜したグラフェン膜の厚さ測定や断面構造の観察を行った。また、ナノインデンテーションおよびナノスクラッチ実験によりグラフェン膜の力学的特性の評価を行った。さらに、成膜した単結晶シリコン、単結晶シリコンカーバイドおよび超硬合金製の金型を用いて高精度ガラスモールド成形装置でのガラスプレス成形実験を実施し、マイクロ・ナノスケールのガラス表面への微細構造の転写成形に使用可能であることを確認した。そして、プレス成形時の界面現象の実験観察を行い、成形された光学素子の形状精度および光学性能の評価を行った。さらに、本研究の学問への発展としてグラフェン膜とガラスおよび金型本体間の界面現象を解析するための分子動力学モデルを作成し、高温ガラス成形におけるグラフェン膜の物理的・化学的安定性および耐久性について原子スケールでの解析を行った。

光学设备中使用的玻璃材料具有自己的独特功能，但是众所周知，通过在材料表面的微纳米水平上形成常规微观结构，表面功能得到显着改善。在这项研究中，石墨烯膜使用单晶钻石工具沉积在自由形式的霉菌表面切割上，并应用于玻璃压制技术，以阐明原子水平的界面现象时，当大部分微型制度的微型纳米级微结构进行。可以预期，这项研究将提供对各种功能表面的高精度处理，例如仿生结构，微芯阵列和低反射表面，并降低成本。在2022年，石墨烯沉积在上一年切割的模具表面，并在不同条件下研究了膜形成特征，并测量了膜形成石墨烯膜的厚度并观察到横截面结构。此外，通过纳米凹和纳米裂纹实验评估石墨烯膜的机械性能。此外，使用高精度玻璃造型设备制成的霉菌，单晶硅碳化物和碳化合金，使用玻璃压制实验进行了玻璃压制实验，并确认它可用于将微结构的模制转移到微型纳米尺度玻璃表面上。然后，进行了对界面现象的实验观察，并进行了压制成型过程，并评估了模制光学元件的形状精度和光学性能。此外，作为对学术领域的这项研究的发展，创建了一个分子动力学模型，以分析石墨烯膜，玻璃和霉菌体之间的界面现象，以及原子量表分析是在高温玻璃模型中对石墨烯膜的物理和化学稳定性和耐用性进行的。

项目成果

Optimization of fast tool servo diamond turning for enhancing geometrical accuracy and surface quality of freeform optics

优化快速刀具伺服金刚石车削，提高自由曲面光学器件的几何精度和表面质量

• DOI: 10.1299/jamdsm.2023jamdsm0012
• 发表时间: 2023
• 期刊: Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing
• 作者: Lin ZHANG;Yusuke SATO and Jiwang YAN
• 通讯作者: Yusuke SATO and Jiwang YAN

Study on nano-graphitic carbon coating on Si mold insert for precision glass molding

精密玻璃模压硅模具嵌件纳米石墨碳涂层的研究

• DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128893
• 发表时间: 2022
• 期刊: Surface & Coatings Technology
• 影响因子: 5.4
• 作者: Lin Zhang;Jiwang Yan
• 通讯作者: Jiwang Yan

Evolution of high-pressure metastable phase Si-XIII during silicon nanoindentation: A molecular dynamics study

• DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110344
• 发表时间: 2021-04
• 期刊: Computational Materials Science
• 影响因子: 3.3
• 作者: Lin Zhang;Jiwang Yan

Flexible fabrication of Fresnel micro-lens array by off-spindle-axis diamond turning and precision glass molding

• DOI: 10.1016/j.precisioneng.2021.11.013
• 发表时间: 2021-11-25
• 期刊: PRECISION ENGINEERING-JOURNAL OF THE INTERNATIONAL SOCIETIES FOR PRECISION ENGINEERING AND NANOTECHNOLOGY
• 影响因子: 3.6
• 作者: Zhang, Lin;Yi, Allen Y.;Yan, Jiwang
• 通讯作者: Yan, Jiwang