宇宙環境を利用した フォトニック結晶の創製

平成17年11月18日（金）第36回フォトニクス・フォーラム
於 名古屋工業大学
宇宙環境を利用した
フォトニック結晶の創製
名古屋工業大学
ながれ領域／ISS利用新素材創成研究所
岡本 茂
1
Effect of μ- gravity
NO
weight
NO
convection
REVEALED
wettability
Research under μ-gravity
•
落下塔（~ sec）
•
航空機：Parabolic Flight（~ 20 sec）
•
国際宇宙ステーション（months）
３次元ナノ構造制御
研究をとりまく状況と必要性
• 電子デバイス ⇨ 光デバイス
• トップダウン型微細加工技術 ⇨
自己組織的ボトムアップ型新技術 ⇨
フォトニック結晶(1,2 →3次元)
• 宇宙環境利用研究プロジェクトで解決 ⇨
光や磁場で光を制御できる素子!!! （波
長変換やスイッチング）
• 微小重力環境で完成! ⇨
JAXA
高分子ブロック共重合体を利用した３次元フォトニック結晶の創製
高分子A
高分子Ｂ
マクロスコピック
マクロスコピック
メソスコピック
ポリスチレン
（プラスチックス）
ミクロスコピック
ミクロスコピック
プリイソプレン
（ゴム）
高分子ブロック共重合体を利用した３次元フォトニック結晶の創製
パターンの生成消滅の解明
ブロック コポリマーA-Bの相転移
（ミクロ相分離 又は 秩序-無秩序転移）
A
D //
B
B
D⊥
A
B
A
無秩序相
秩序相
エントロピーの増大 （ 自由度の増大）
（自由エネルギーの減少）
相互作用エネルギーの減少
温度の上昇
共通溶媒（低分子）
濃度の増加
温度の降下
溶媒濃度の減少
ブロック共重合体
フォトニッククリスタル
A-ポリマー
1D
2D
B-ポリマー
3D
自然における周期的極小曲面からなるフォトニック・クリスタル
モルフォ蝶
和名 テングアゲハ
英名 Kaiser hind
学名 Teinopalpus imperialis
Integrated optical circuits, telecommunication circuits, optical computer, etc.
線状欠陥→導波路 点欠陥→機能制御
フォトニック・バンド・ギャップ(PBG)材料創成への課題 :
a)
ドメインサイズの制御：大
b) ドメインの長距離秩序と配向の制御
c) ドメイン間の誘電率差の制御：大
d) 欠陥構造の制御：タイプと配置
e) ブロック共重合体：紫外領域の吸収の軽減が問題
ドメインサイズの制御：
京大長谷川グループ
ブロック共重合体／ホモポリマーブレンド
ドメインの長距離秩序と配向の制御：
Gyroid単結晶
PS-PIジブロック共重合体／
PSホモポリマーブレンド
トルエンキャスト (1カ月)
京大長谷川グループ
欠陥構造の制御：
欠陥の意図的導入
PS-PI block/homo PS
線状欠陥
点欠陥
欠陥構造の解明：３次元構造解析
生成・消滅過程の解明・制御
合成した高分子ブロック共重合体試料
（特許出願準備中）
２．１ ３次元フォトニックス結晶の創製のこれまでの成果
超小角Ｘ線散乱測定
15
金微粒子作製
frequency
100
80
60
40
20
0
20nm
20nm
Transmission electron micrograph
of the gold nanoparticle.
0 1
2 3 4
5 6
7 8 9
Diameter of gold particle(nm)
Distribution of the gold nanoparticle.
U-ＳＡＸＳ (SIx+Au in DMF)
【格子因子よる散乱】
一次ピーク：0.030 (nm-1)
→ラメラ面間隔D=207 (nm)
【形状因子による散乱-particle scattering-】
ピーク：q1=0.812(nm-1)
→球半径R=7.1(nm) (q1R=5.765)
<Fitting parameter >
球の平均半径：7nm
標準偏差: σ=0.8
ミクロ相分離構造由来の散乱に方位角依存性がある
Particle散乱には依存性がない
Effect of Gravity