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

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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。