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

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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。