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

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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。