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フェムト秒レーザー改質による透明高分子材料内部への三次元炭素構造の作製とその応用

飞秒激光改性透明高分子材料内三维碳结构及其应用

基本信息

批准号：
22KJ2678
负责人：
林秀一郎
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今年度は透明高分子材料であるポリジメチルシロキサン (Polydimethylsiloxane: PDMS) のレーザー改質におけるレーザーパラメーターの [A]構成材料、および[B]構造への寄与を明らかにした。PDMSへフェムト秒レーザーパルスを集光照射し走査することで多層状の黒鉛質炭素およびナノ寸法のシリコンカーバイド (Silicon Carbide: SiC) 結晶から構成される構造が作製可能である。同構造はSiCから構成されるものの、これまでSiC特有な半導体特性は観測されていなかった。[A]ではSiC生成におけるレーザーパルスの単一エネルギー量 (Pulse Energy: PE) の寄与を明らかにした。作製時のPEの増大に伴い、生成したSiCの寸法および量が増大した。SiC生成へのPEの寄与は、レーザー誘起衝撃波に伴う高圧状態が関係していると考察した。本研究ではSiCの生成量を黒鉛質炭素の生成量より高くすることで、PDMSのレーザー改質により作製した構造においてSiC特有な半導体特性の観測に初めて成功した。レーザー改質による構造形成の過程は長年にわたって議論されており、作製時の単位面積当たりのエネルギー量に依存する単純な光熱変換反応というモデルが主流であった。しかし、複数ものパラメータを同時に変化させた場合、この単純なモデルは実験結果と多くの場合矛盾していた。[B]では構造形成における走査速度 (Scanning Speed: SS) の寄与を明らかにした。単位面積当たりのエネルギー量が同程度の場合において、SSが低い場合では連続な構造、SSが高い場合では不連続な構造が生じた。本研究では構造形成の過程におけるモデルをレーザー誘起欠陥の核生成と成長に基づいて提案し、これを実験的に検証した。これらの結果は、これまで曖昧であったレーザー改質による構造形成の過程を明らかにし、レーザー改質の制御方法についてより深い理解を与える。[A]および[B]は各々英文論文としてまとめた。

This year, transparent polymer materials (Polydimethylsiloxane: PDMS) are modified by [A] constituent materials,[B] structural materials, and [C] transparent materials. PDMS is a multi-layered silicon carbide (Silicon Carbide: SiC) crystal that can be fabricated by concentrated light irradiation. SiC with the same structure has unique semiconductor characteristics. [A]SiC is generated in the form of Pulse Energy (PE). PE increases during production and SiC increases in size. The relationship between PE and shock wave induced by SiC formation and high pressure state was investigated. In this study, the amount of SiC produced was high, and the amount of lead carbon produced was high. The PDMS structure was modified to measure the characteristics of SiC. The process of structural formation in the process of modification is discussed over the years, and the unit area at the time of manufacture depends on the amount of pure light and heat conversion. In the case of multiple cases, the result of multiple cases is contradictory [B]Scanning Speed (SS) of structure formation and transmission In the case where the unit area is equal to the unit area, the SS is low, the SS is high, and the SS is high. This study is aimed at demonstrating the process of structural formation and the mechanism of nuclear generation and growth. The result is that the process of structure formation is unclear, and the method of structure modification is deeply understood. [A][B]