超臨界二酸化炭素流体内のレーザーアブレーションによる機能性ナノ微粒子合性と制御

シリコン基板のレーザーアブレーションが可能な超臨界二酸化炭素流体発生装置を製作し、縦横1cm角に切断したシリコン基板を超臨界二酸化炭素流体内に固定、焦点距離15cmの紫外集光用レンズによりエキシマーレーザー光であるXeClレーザー(308nm、100mJ/pulse)の光をシリコン基板上に集光し、各種二酸化炭素超臨界流体条件において生成する微粒子を捕集し、走査型電子顕微鏡(SEM)で生成したシリコン微粒子の観察を試みた。超臨界二酸化炭素の温度は50℃に固定し、圧力を3.OMPから14MPaまで変化させた。超臨界状態にある二酸化炭素のシリコン基板近傍における溶媒和構造を変化させた。はじめにシリコン基板のアブレーションで生成する微粒子を超臨界二酸化炭素流体の高い背圧(3.0〜14MPa)を利用してシリコン微粒子サンプリング部に捕集を試みたが、二酸化炭素により反応容器からサンプリング部に押し出されるシリコンナノ微粒子は微量であり、その分析は不可能であった。そこで、超臨界状態でアブレーション後、超臨界容器の二酸化炭素を排気、残つたシリコン基板をとりだし、そこに堆積している微粒子を採取レてその微粒子径を観察することにした。まず、その生成した微粒子の微細構造を確かめるため、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察を試みた。その結果、超臨界二酸化炭素の圧力が大きくなるほど生成するシリコン微粒子の径が小さくなる傾向があることがわかった。これは、我々の実験条件の超臨界二酸化炭素密度がρ=1.0〜0.1×10^<-3>g/cm^3と二酸化炭素圧力上昇とともに超臨界二酸化炭素の揺らぎが大きくなる領域であり、揺らぎの増大の結果として周囲の超臨界二酸化炭素への熱散逸速度が速くなり、レーザーで加熱・蒸発した御粒子の冷却時間が早くなったからと思われる。次に、超臨界二酸化炭素流体中のアブレーションでシリコンナノ微粒子が可視発光するかどうかについて検討するため、石英基板上たアブレーションで生成したシリコン微粒子に355nmのYAGレーザ3倍波を照射し、発生する発光(Photolumines-cence、以降PL)をICCDにより検出することを目的として、実験を行った、しかし、本実験で得られたシリコンナノ微粒子の発光は観測されなかった。レーザアブレーションで可視発光微粒子を生成することは数多くの研究で知られており、本研究で検出されなかった原因としてはシリコンナノ微粒子表面においてアモルファス層が形成され、PL発光が阻害された等の理由が考えられる。

シリコン基板のレーザーアブレーションが可能な超臨界二酸化炭素流体発生装置を製作し、縦横1cm角に切断したシリコン基板を超臨界二酸化炭素流体内に固定、焦点距離15cmの紫外集光用レンズによりエキシマーレーザー光であるXeClレーザー(308nm、100mJ/pulse)の光をシリコン基板上に集光し、各種二酸化炭素超臨界流体条件において生成する微粒子を捕集し、走査型電子顕微鏡(SEM)で生成したシリコン微粒子の観察を試みた。超臨界二酸化炭素の温度は50℃に固定し、圧力を3.OMPから14MPaまで変化させた。超臨界状態にある二酸化炭素のシリコン基板近傍における溶媒和構造を変化させた。はじめにシリコン基板のアブレーションで生成する微粒子を超臨界二酸化炭素流体の高い背圧(3.0〜14MPa)を利用してシリコン微粒子サンプリング部に捕集を試みたが、二酸化炭素により反応容器からサンプリング部に押し出されるシリコンナノ微粒子は微量であり、その分析は不可能であった。そこで、超臨界状態でアブレーション後、超臨界容器の二酸化炭素を排気、残つたシリコン基板をとりだし、そこに堆積している微粒子を採取レてその微粒子径を観察することにした。まず、その生成した微粒子の微細構造を確かめるため、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察を試みた。その結果、超臨界二酸化炭素の圧力が大きくなるほど生成するシリコン微粒子の径が小さくなる傾向があることがわかった。これは、我々の実験条件の超臨界二酸化炭素密度がρ=1.0〜0.1×10^<-3>g/cm^3と二酸化炭素圧力上昇とともに超臨界二酸化炭素の揺らぎが大きくなる領域であり、揺らぎの増大の結果として周囲の超臨界二酸化炭素への熱散逸速度が速くなり、レーザーで加熱・蒸発した御粒子の冷却時間が早くなったからと思われる。次に、超臨界二酸化炭素流体中のアブレーションでシリコンナノ微粒子が可視発光するかどうかについて検討するため、石英基板上たアブレーションで生成したシリコン微粒子に355nmのYAGレーザ3倍波を照射し、発生する発光(Photolumines-cence、以降PL)をICCDにより検出することを目的として、実験を行った、しかし、本実験で得られたシリコンナノ微粒子の発光は観測されなかった。レーザアブレーションで可視発光微粒子を生成することは数多くの研究で知られており、本研究で検出されなかった原因としてはシリコンナノ微粒子表面においてアモルファス層が形成され、PL発光が阻害された等の理由が考えられる。