非平衡気相レーザープロセスによる複合ナノ粒子の形成過程の解明と複合構造制御

非平衡气相激光工艺阐明复合纳米颗粒的形成过程及复合结构的控制

基本信息

批准号：
22K04882
负责人：
梅津郁朗
金额：
$ 2.33万
依托单位：
Konan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

球状サブミクロン粒子は局在表面プラズモン共鳴による吸収や光散乱を利用した光学材料として注目を集めている。特にサイズの制御は共鳴波長の制御につながる。パルスレーザーアブレーション法は球状粒子の作成が可能な物理的ドライプロセスであり、複合化や真空プロセスとの組み合わせが容易である。パルスレーザーアブレーション過程で生成された粒子をガスの流れにのせて移動させれば、慣性効果によって粒子の質量、すなわち、サイズの制御を行うことが出来る。本研究ではパイプとガスの流れを利用して基板上に球状サブミクロン粒子を堆積させる手法を用いた。当該年度はSi, Ge, TiO2, Ag, Cuの5種類のターゲット材料に対して流速とパイプ位置を変化させて球状のナノ粒子の作成を試みた。すべてのターゲット材料に対して球状粒子が得られ、粒径分布は対数正規分布によく従っていた。また、平均粒径はターゲット材料物質の密度とガスの流速のみに依存し、慣性効果の指標とも言えるストークス数が1となるガス流速で決定されていた。これは平均粒径が粒径はガス流速の制御という単純な手法で制御可能であることを意味する重要な結果である。最小粒径のカットオフは堆積基板上での慣性効果、すなわちインパクター効果で説明可能であったが、最大粒径のカットオフについては説明することはできていなかった。そこでパイプ位置を変化させることと、生成された粒子の挙動を観察することによって、最大粒径のカットオフがパイプ収集口先端の慣性効果によって決定されることを明らかにした。すなわち、パイプ収集口付近の慣性効果によって最大粒径がカットオフされた後、基板上での慣性効果によって最小粒径がカットオフされることにより粒径分布が決定されることが明らかになった。

球形亚微米颗粒作为利用局部表面等离子体共振吸收和光散射的光学材料而受到关注。特别是，尺寸的控制导致共振波长的控制。脉冲激光烧蚀方法是一种物理干法工艺，可以产生球形颗粒，并且可以轻松与复合和真空工艺相结合。如果脉冲激光烧蚀过程中产生的颗粒随着气流移动，则颗粒的质量或尺寸可以通过惯性效应来控制。在这项研究中，我们采用了一种利用管道和气流在基材上沉积球形亚微米颗粒的方法。今年，我们尝试通过改变五种目标材料的流速和管道位置来制造球形纳米粒子：Si、Ge、TiO2、Ag 和 Cu。所有目标材料均获得球形颗粒，并且粒度分布紧密遵循对数正态分布。此外，平均粒径仅取决于靶材料的密度和气体流量，并且是在斯托克斯数（可以被认为是惯性效应的指数）为1的气体流量下确定的。这是一个重要的结果，意味着可以通过控制气体流速来简单地控制平均粒径。虽然最小晶粒尺寸的截止可以通过沉积基底上的惯性效应（即冲击器效应）来解释，但最大晶粒尺寸的截止无法解释。通过改变管道位置并观察生成颗粒的行为，我们发现最大颗粒尺寸的截止是由管道收集口尖端的惯性效应决定的。换言之，很明显，粒度分布是由管收集口附近的惯性效应截断的最大粒度、然后由基材上的惯性效应截断的最小粒度决定的。