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機能的な装置の製造に使用されるコロイド粒子

Jun 01, 2017

マイクロエレクトロニクス、再生可能エネルギー、医療/感知アプリケーションなどのアプリケーションにとって重要なデバイスとなっている量子ドットや金属ナノ粒子などのコロイド粒子。 残念なことに、光子、集束イオンビーム、または電子ビームを使用する標準的なフォトリソグラフィ方法は、これらの粒子を固体基板上にパターン化することができない。 光ピンセットは、これらの粒子を完全に操作するための強力な性能を提供するが、粒子を基板に固定することは依然として困難である。 加えて、光ピンセットの高出力動作状態(最大100mW /μm2)は、その適用範囲を制限する。

約10ナノメートルのサイズで、1桁のナノ粒子上のスライド上のピッチは、プラズマ基板として使用される。 1平方ミクロンレベル当たりの出力が数ミリワットの低出力レーザーであり、波長はパターニングに十分なナノ粒子のプラズマ共鳴波長と一致するように調整することができる。

気泡を形成するために、プラズマ基板の下側から直径2μmのレーザビームを集束させ、基板と基板から120μm離れたカバーガラスに挟まれたコロイド粒子溶液に焦点を合わせた。 プラズマが水の蒸発の光熱効果を高めるので、蒸発した水蒸気は、プラズマ基板の上部で1μmほどの小さな直径を有する気泡を形成する。

次いで、コロイド粒子をマイクロバブルに引きずり、バブル/溶液界面にトラップし、最終的に基板に固定する。 レーザ出力がオフになると、粒子は、熱効果による基板の接着性の向上のために、パターン化された位置にとどまる。 基板がすすがれ、乾燥された後でさえ、これらの粒子パターンは基板上に残っており、この特徴は、この方法を機能的装置の製造に適したものにする。 走査レーザービームを用いてペンとしてレーザービームを照射し、気泡を動かすと、図1に示すように、ナノ粒子パターンを形成することができます。

マイクロバブル位置での粒子捕捉は、マイクロバブル表面に沿った表面張力勾配によって引き起こされるマランゴニ対流に起因する、基板上の温度勾配によって引き起こされる自然対流によって引き起こされる。 粒子がマイクロバブルの表面に接触すると、気泡の面内抗力によって粒子が捕捉され、これは機械式によって定量化および予測できる現象である。 実際、気泡の温度分布も、計算流体力学(CFD)シミュレーション結果によって予測することができる。