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

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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。