研究者は3Dプリントを通じて光学活性ナノ構造を最適化

研究者は3Dプリントを通じて光学活性ナノ構造を最適化
この投稿は Bingdunxiong によって 2024-1-18 16:44 に最後に編集されました

南極のクマの紹介:過去 20 年間で、人々はナノ粒子を使用して表面を改変し、光を望ましい方法で集中させたり操作したりして、特定の効果を実現したり、他の反応を引き起こしたりできるようになりました。このような光学的に活性なナノ構造は、太陽電池や生物学的センサー、化学センサーなどの分野で応用できる可能性があります。

△ナノ3Dプリント技術を使えば、ほぼあらゆる形状を製作できます。ボールは個々のナノ構造で構成されている
2024年1月18日、南極熊は、ナノ構造の応用範囲を拡大するために、グラーツ工科大学の電子顕微鏡およびナノ分析研究所とグラーツ電子顕微鏡センターの研究者が、過去10年間にわたって平面ナノ構造の製造だけでなく、複雑で独立した3次元構造の製造にも取り組んできたことを知りました。

Harald Plank、Verena Reisecker、David Kuhness が率いるチームは、2 つの重要な進歩を達成しました。現在では、望ましい光学特性を実現するために必要なナノ構造の形状とサイズを事前に正確にシミュレートできるようになり、それを高精度で製造できるようになりました。研究チームはまた、3Dナノ構造に悪影響を与えることなく、初期の製造工程で混入した可能性のある化学不純物を完全に除去することにも成功しました。

これらの革新により、プロフェッショナルな 3D 印刷分野に新たな可能性が開かれ、複雑なナノ構造をより正確に作成できるようになります。

△研究成果は「高精度ナノ3Dプリンティング技術による3次元ナノ構造の陽子活性スペクトルの調整」というタイトルでAdvanced Functional Materials誌に掲載された。
最適化プロセスにはいくつかの重要な要素が関係する

●材料の選択:望ましい光学性能を達成するには、適切な材料を選択することが重要です。研究者は、ポリマー、金属、半導体などさまざまな材料を試して、特定の用途に最適なものを見つけます。
印刷パラメータ: 層の厚さ、印刷速度、温度などの印刷パラメータを制御することは、精密なナノ構造を実現するために非常に重要です。研究者らは、これらのパラメータを最適化し、高品質の印刷を保証するための高度なアルゴリズムを開発しました。
●後処理技術: 印刷後、ナノ構造の光学特性をさらに高めるために追加の後処理手順が必要になる場合があります。望ましい光学特性を実現するために、アニーリング、表面処理、化学修飾などの技術を使用できます。

△集束電子ビーム誘起堆積法(FEBID)は、特徴サイズが10nm未満という複雑な金属3Dプリントナノ構造を製造できる、新興の成熟した3Dナノプリント技術です。この方法は、焦点を絞った電子ビームによる表面に吸着した有機金属分子の局所的な解離と固定に依存しています。
研究結果は試行錯誤のプロセスを省略する

プランク氏は次のように説明しています。「これまで、3 次元ナノ構造は、製品が望ましい光学特性を示すまで、時間のかかる試行錯誤のプロセスを経なければなりませんでした。この困難がついに解消されました。さまざまなナノ構造のシミュレーションと実際のプラズモン共鳴の一致は非常に高くなっています。これは大きな前進です。過去数年間の懸命な努力がついに報われたのです。」

この技術は現在、制御された単一ステップのプロセスでほぼあらゆる表面に複雑な 3D 構造 (個々の特徴が 10 ナノメートル未満) を生成できる世界で唯一の技術です。比較すると、最も小さいウイルスの大きさは約 20 ナノメートルです。

「近年の最大の課題は、形態を損なうことなく 3D 構造を高純度材料に転写することです」とプランク氏は説明します。「3D 技術の発展により、新しい光学効果とアプリケーション コンセプトが実現可能になりました。ナノメートル レベルの寸法を持つナノプローブや光ピンセットも実現可能になりました。」

△3D構造の作製と特性評価
精密に制御された電子ビーム

研究者らは、集束電子ビーム誘起堆積法を利用してナノ構造を作成した。関連する表面は真空状態で特殊なガスにさらされます。細かく焦点を絞った電子ビームを使用してガス分子を分割し、その一部が固体状態になって目的の場所に付着します。

プランク氏はさらにこう付け加えた。「ビームの動きと照射時間を正確に制御することで、格子状またはシート状の構成要素を持つ複雑なナノ構造を 1 つのステップで生成できます。これらのナノ体積を積み重ねることで、最終的に 3 次元構造を構築できます。」

全体として、このプロジェクトは、3D プリントを使用した光学的に活性なナノ構造の作成において大きな進歩を達成しました。研究者は印刷プロセスの制御を強化することで、カスタマイズされた光学特性を持つナノ構造を製造できるようになりました。これにより、フォトニクスからバイオメディカルまで、幅広いアプリケーションに刺激的な機会が生まれます。この分野は発展を続けており、将来的にはさらに大きな進歩が期待できます。



ナノ構造と光学

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