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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2678/
• 关键词: フェムト秒レーザー; レーザー誘起グラフェン; シリコンカーバイド; グラフェン量子ドット

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。

今年，我们阐明了激光参数对透明聚合物材料聚合物聚合物材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）的激光修饰中[A]的[A]构成材料和[B]结构的贡献。通过将飞秒激光脉冲聚焦和扫描在PDM上，可以制造由多层石墨碳和纳米大小的碳化硅（SIC）晶体组成的结构。尽管该结构是由SIC制成的，但迄今为止，没有观察到SIC独有的半导体特征。 [a]揭示了激光脉冲在SIC生成中的单能（PE）的贡献。随着PE在制造过程中的增加，产生的SIC的大小和量增加。据认为，PE对SIC生成的贡献与与激光诱导的冲击波相关的高压状态有关。在这项研究中，通过使SIC的产量高于生产的石墨碳，我们能够成功地观察SIC在激光重构PDMS产生的结构中所特有的半导体特性。通过激光改革形成结构的过程已有很多年了，而简单光热转化反应的模型取决于制造过程中单位面积的能量量，这是主流的。但是，当多个参数同时变化时，这个简单的模型通常与实验结果不一致。 [b]揭示了扫描速度（SS）在结构形成中的贡献。当单位面积的能量量相似时，当SS较低时会发生连续结构，并且当SS高时发生不连续的结构。在这项研究中，我们提出了一个基于激光诱导的缺陷的成核和生长的结构形成过程的模型，并通过实验测试了该模型。这些结果揭示了以前模糊的激光改革结构形成的过程，并对如何控制激光改革提供了更深入的了解。 [A]和[B]分别作为英文论文编译。

项目成果

慶大，透明材料に蛍光量子ドットをレーザーで生成

庆应义塾大学利用激光在透明材料中生成荧光量子点

Direct Writing of Fluorescent Semiconducting Nanoparticles on Polydimethylsiloxane by Ultrashort-Pulsed Laser Processing: Implications for Electronic and Photonic Device Fabrication

• DOI: 10.1021/acsanm.2c05134
• 发表时间: 2023-01
• 期刊: ACS Applied Nano Materials
• 影响因子: 5.9
• 作者: S. Hayashi;M. Terakawa

レーザーを使ってグラフェン量子ドット構造を描くように生成

使用激光生成石墨烯量子点结构

Direct writing of graphene and silicon carbide quantum dots on an elastomer by laser-induced carbonization

通过激光诱导碳化在弹性体上直接写入石墨烯和碳化硅量子点

• 发表时间: 2022
• 作者: Hayashi Shuichiro;Terakawa Mitsuhiro
• 通讯作者: Terakawa Mitsuhiro

Laser-based direct synthesis and patterning of graphene quantum dots

基于激光的石墨烯量子点直接合成与图案化

• 发表时间: 2022
• 作者: Shuichiro Hayashi;Kaneto Tsunemitsu;Mitsuhiro Terakawa
• 通讯作者: Mitsuhiro Terakawa