JP2023524179A - 表面結合による電離誘起技術及びそれに対応するプラズマ、ならびにプラズマデバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、表面結合による電離誘起方法及び一連のプラズマデバイスを開示し、該方法は、以下のステップを含む。（１）自由空間または導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給し、表面プラズマ波を励起させ、材料表面へ電離させようとする標的分子を導入し、相互作用を制御することにより、標的分子の電子と材料上の表面プラズモンとを結合させ、標的分子の電離を誘起する。（２）継続的に、自由空間または導波材を介して、さらに第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給し、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高める。（３）標的分子をバルク相プラズマとして放出させ、表面結合による電離誘起を実現する。【選択図】図１
Description
本発明は、材料科学及び電子デバイスの分野に関し、特にプラズマ及び電離に関する。また、本発明は、上記プラズマに関する一連のプラズマデバイスに関する。
プラズマ（Ｐｌａｓｍａ）は即ち、気体の分子が外部の電界や熱によってさらに電離されて形成される物質状態である。燃焼環境における高温の炎、高電圧放電が空気の絶縁状態を破壊する時に形成されるアーク、街角のカラフルなネオンなど、生活中でよく見られるプラズマの形はたくさんある。気体分子をプラズマ化する技術、すなわち電離技術（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）は、三廃（廃気、廃水、廃棄物）処理、ゴムのリサイクル、材料の合成と材料の表面改質、検査や分析など、さまざまな分野で広く利用されている。
プラズマの形態によって、電離条件も異なるが、最も一般的なのは負圧又は真空下で形成されるプラズマである。真空又は負圧下での典型的な電離方法の１つにグロー放電がある。グロー放電はまさに、さまざまな気体が入った管内を一定の負圧（通常は１０ｍｂａｒ未満）まで真空引きし、２つの平板電極によって真空管内に放電させることにより、気体を電離し、グロープラズマを形成させることである。直流に代えて高周波のジェットを流せば、平板電極間の容量結合に基づく無線周波数（ＲＦ）プラズマをさらに得ることができる。従来の負圧または真空下でのプラズマは、コロナ放電、アーク絶縁破壊放電、誘電体バリア放電なども含む。しかし、ほとんどの場合、負圧環境で実行する必要がある。
真空または負圧環境ではプラズマの利用が制限されることが多いため、常圧環境での電離を実現するために多くの研究が着手されている。一般的な常圧電離技術には、電子衝撃による電離、ＲＦ電離、アーク電離、誘導結合による電離、エレクトロスプレー電離、レーザー誘起電離などがある。その中で、十分に常圧プラズマを形成できる主流の方法は、主にアーク電離と誘導結合による電離の２つの方法である。この２つの方法によって実現される常圧プラズマは、ごみ処理、材料製錬、表面コーティング及び機器分析などを含む各分野で広く応用され、いくつかの具体的な応用で大きな成果を上げた。例えば、アークプラズマトーチはすでに、複雑な組成を持つゴミの処理において最も有効で便利な手段として使われ、誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）と光スペクトラム分析とを組み合わせたＩＣＰ－ＯＥＳ或いは誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）に質量分析システムを結合させたＩＣＰ－ＭＳは現在、各種元素の含有量を測定するために最もよく使われる重要な機器であり、その検出下限値はｐｐｂないしｐｐｔオーダを達成できる。常圧プラズマの場合、その応用にどのような可能性があるかは、プラズマの電子温度とイオン温度の調整可能範囲に依存し、より直接的に言うと、プラズマ内のエネルギー密度の調整可能範囲に依存する。その応用にどれだけの価値があるかは、プラズマを形成する際のエネルギー供給効率によって決まる。
常圧プラズマの商業利用にとって最大の問題は、エネルギー供給効率のあまりの低さである。例えば、アークプラズマの場合、アークが形成されると、電極の両端の電圧は急速に低下するので、プラズマ内のエネルギー密度は直ちに低下する。一方、誘導結合プラズマについては、交流コイル内で確立された交番磁界結合を介して電離気体にエネルギーを供給してさらにトーチを形成させるために、火花点火により初期の気体電離部分を形成する必要があるので、プラズマ自身のインピーダンス特性が結合効率に直接影響する対象となる。
以上のように、当分野では、より高いエネルギー供給効率、より広い電子温度及びイオン温度の調整可能な温度範囲、より高いエネルギー密度の常圧プラズマを実現することにより、既存の応用分野の掘り起こしを深め、さらにプラズマの他の応用を広げることができる新しい電離技術が常に求められている。
これに鑑みて、本発明は、優れた性能を有する表面結合による電離誘起技術、及びそれに対応するプラズマ、ならびにプラズマデバイスを提案する。
一態様において、本発明は、表面結合による電離誘起の技術的方法を提供し、該方法は、
自由空間または導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給し、第１ビームの電磁波を材料の表面プラズマと共振させ、表面プラズマ波を励起させる。それと同時に、材料表面へ電離させようとする標的分子を導入し、材料表面と標的分子との相互作用を制御することにより、標的分子の電子と材料上の表面プラズモンとを結合させ、標的分子の電離を誘起する。継続的に、自由空間または導波材を介して、さらに第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給し、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高める。最終的に、標的分子をバルク相プラズマとして放出させ、表面結合による電離誘起を実現する。
さらに、前記材料形態は、固体と液体とを含む。ここで、前記固体の形態は、薄膜、粒子、粉体、エアロゾル、フォトニック結晶、固気二相流のうちの１つ又は複数を含み、前記液体の形態は、液滴、分散液、気液二相流のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記材料のサイズは０．３ｎｍ～１０００ｍｍである。
さらに、前記材料は、金属及び合金材料、炭素材料、セラミック材料、有機導体材料、半導体材料のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記金属及び合金材料は、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、イオウ、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、テルリウム、セシウム、バリウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、タリウム、鉛、ビスマス、ポロニウム、フランシウム、ラジウム、ランタノイド、アクチニドを含む金属または合金のうちの１つまたは複数を含む。
さらに、前記炭素材料は、グラフェンや、アミノ化グラフェン、カルボキシル化グラフェン、ヒドロキシル化グラフェン、チオール化グラフェン、酸化グラフェン、メチル化グラフェン、トリフルオロメチル化グラフェン、オクタデシル化グラフェン、フッ化グラフェン及びヨウ化グラフェン、人工グラファイト、天然グラファイト、グラファイト化炭素マイクロビーズ、グラファイト化カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ、ガラス化カーボン、アモルファスカーボン、カーボンナノホーン、炭素繊維、炭素量子ドット、分子篩炭素のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記セラミックス材料は、酸化物セラミックス、ケイ酸塩セラミックス、窒化物セラミックス、ホウ酸塩セラミックス、リン酸塩セラミックス、炭化物セラミックス、アルミン酸塩セラミックス、ゲルマニウム酸塩セラミックス、チタン酸塩セラミックスのうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記有機導体材料は、ポリアセチレン、ポリアリールアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリフェニレンスルフィド、ＴＴＦ－ＴＣＮＱ、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ、テトラチアフルバレン、ポリフルオレン、ポリパラフェニレン、ポリ芳香族炭化水素などの、連続した共役フレームワークを有する化合物のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記半導体材料は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体、ＩＩ－ＶＩ族半導体、ＩＶ族半導体、量子ドット半導体、ペロブスカイト型半導体粒子のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第１ビームの電磁波は、ガンマ線、硬Ｘ線、軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波、ＬＦ電波、ＶＬＦ電波、ＵＬＦ電波、ＥＬＦ電波のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第１ビームの電磁波の波長及びその分布は、０．０１ｎｍ～１００ｋｍである。
さらに、前記第１ビームの電磁波の空間分布は、ガウシアンビーム、ベッセルビーム、エアリービーム、ラゲールガウシアンビーム、余弦ガウシアンビーム、マシュービーム、フラットトップビーム、ボルテックスビームのうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第１ビームの電磁波の偏光度は０．０１％～９９％である。
さらに、前記第１ビームの電磁波の偏光モードは、自然光、部分偏光、直線偏光、円偏光、楕円偏光、方位角偏光、放射状偏光のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第１ビームの電磁波の偏光は、Ｓ波偏光とＰ波偏光とを含む。
さらに、前記第１ビームの電磁波の軌道角運動量及びその分布は－１０～＋１０である。
さらに、前記第１ビームの電磁波の位相及びその分布は０～２πである。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波は、ガンマ線、硬Ｘ線、軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波、ＬＦ電波、ＶＬＦ電波、ＵＬＦ電波、ＥＬＦ電波のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布は０．０１ｎｍ～１００ｋｍである。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の空間分布は、ガウシアンビーム、ベッセルビーム、エアリービーム、ラゲールガウシアンビーム、余弦ガウシアンビーム、マシュービーム、フラットトップビーム、ボルテックスビームのうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の偏光度は０．０１％～９９％である。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の偏光モードは、自然光、部分偏光、直線偏光、円偏光、楕円偏光、方位角偏光、放射状偏光のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の偏光は、Ｓ波偏光とＰ波偏光とを含む。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の軌道角運動量及びその分布は－１０～＋１０である。
さらに、前記第２ビーム以降の電磁波の位相及びその分布は０～２πである。
さらに、前記標的分子の分子量の範囲は１０×１００Ｄａ～１０×１０２０Ｄａである。
さらに、自由空間を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給する前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ１Ｓ１において、第１ビームの電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第１ビームの変調電磁波を得る。ステップ１Ｓ２ａにおいて、前記第１ビームの変調電磁波と材料の表面プラズマとの周波数波動ベクトルを整合させるように調整し、波動ベクトル整合変調電磁波を得る。ステップ１Ｓ３ａにおいて、前記波動ベクトル整合変調電磁波を自由空間を介して材料表面に入射させ、材料表面に表面プラズマ波を形成させる。
さらに、前記ステップ１Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、ステップ１Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ１Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ１Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ１Ｓ２ａにおける波動ベクトル整合方法は、グレーティング、フォトニック結晶、自由空間光とプリズム内部全反射との結合、誘電率１未満のメタマテリアルデバイス、多重減衰内部全反射デバイス、自由空間光と導波材内部全反射デバイスとの結合、内部全反射デバイス、集束デバイス、直接整合のうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給する前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ１Ｓ１において、第１ビームの電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第１ビームの変調電磁波を得る。ステップ１Ｓ２ｂにおいて、導波材を介して前記第１ビームの変調電磁波をアイソレータに供給し、一方向の第１ビームの変調電磁波を得る。ステップ１Ｓ３ｂにおいて、前記一方向の第１ビームの変調電磁波と材料の表面プラズマとの周波数波動ベクトルを整合させるように調整し、波動ベクトル整合一方向変調電磁波を得る。ステップ１Ｓ４ｂにおいて、前記波動ベクトル整合一方向変調電磁波を導波材を介して材料表面に入射させ、材料表面に表面プラズマ波を形成させる。
さらに、前記ステップ１Ｓ２ｂにおけるアイソレータは、導波材サーキュレータ、光ファイバ導波材サーキュレータ、光ファイバ光アイソレータ、ファラデーローテータ、同軸アイソレータ、リボンケーブルアイソレータ、広帯域アイソレータ、デュアルジャンクションアイソレータ、マイクロストリップアイソレータ、減衰器、負荷のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ１Ｓ３ｂにおける波動ベクトル整合方法は、グレーティング、フォトニック結晶導波材、導波材とプリズム内部全反射との結合、誘電率１未満のメタマテリアル導波材、多重減衰内部全反射デバイス、導波材内部全反射デバイス、内部全反射デバイス、波長より小さい近接場導波材プローブによる照射、直接整合のうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、材料表面へ電離させようとする標的分子を導入する前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ２Ｓ１において、標的分子を気相環境に導入して、気相内の標的分子を得る。ステップ２Ｓ２において、前述の気相内の標的分子を、材料表面に移動させる。
さらに、前記ステップ２Ｓ１における標的分子を気相環境に導入する方法は、超音波霧化、加熱蒸発、真空気化、直接気化、気流搬送のうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、前記ステップ２Ｓ２における材料表面に移動させるステップは、光ピンセットによる変位、超音波音響ピンセットによる変位、機械力による変位、気流による取り込み、真空吸引による変位、プローブ牽引による変位、磁力による変位のうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、材料表面と標的分子との相互作用を制御する前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ３Ｓ１において、材料の微細構造と表面電磁界分布を制御して、調整後の材料を得る。ステップ３Ｓ２において、標的分子の状態を制御して、調整後の標的分子を得る。ステップ３Ｓ３において、前記調整後の材料を前記調整後の標的分子に結合させ、材料表面と標的分子との相互作用に対する制御を実現して、標的分子の電離を引き起こす。
さらに、前記ステップ３Ｓ１における材料の微細構造と表面電磁界分布を制御するステップは、材料表面のナノメートルスケール周期的微細構造の形成、材料表面のナノメートルスケールの非周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの非周期的微細構造の形成、材料表面官能基構造変調、材料表面欠陥状態密度構造変調、材料表面ドーピング構造変調、材料結晶ドメインサイズ変調、材料超格子構造変調、材料表面電圧変調、材料表面電界分布変調、材料磁区構造変調、材料磁場変調のうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、前記ステップ３Ｓ２における標的分子の状態を制御するステップは、電磁波により標的分子を励起して異なる励起状態を選択すること、濃度差により標的分子の材料上での化学ポテンシャルを制御すること、静電気導入により標的分子を帯電させること、磁場導入により標的分子を磁化させることのうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ４Ｓ１において、第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第２ビーム以降の変調電磁波を得る。ステップ４Ｓ２において、前記第２ビーム以降の変調電磁波と電離後の標的分子のプラズマ周波数を整合させるように調整し、周波数整合変調された電磁波を得る。ステップ４Ｓ３ａにおいて、自由空間を介して、前記周波数整合変調された電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に入射させ、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高める。
さらに、前記ステップ４Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、ステップ４Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ４Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ４Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ４Ｓ２における周波数整合方法は、波長分散デバイスによる変調整合、フィルタデバイスによる変調整合、屈折デバイスによる変調整合、干渉による変調整合、吸収変調整合、非線形光変調整合、直接入射のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ４Ｓ３ａにおける電離領域に入射させる方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調、直接入射のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、導波材を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ４Ｓ１において、第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及びその分布、及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第２ビーム以降の変調電磁波を得る。ステップ４Ｓ２において、前記第２ビーム以降の変調電磁波と電離後の標的分子のプラズマ周波数を整合させるように調整し、周波数整合変調された電磁波を得る。ステップ４Ｓ３ｂにおいて、導波材を介して前記周波数整合変調された電磁波をアイソレータに供給し、一方向の周波数整合変調された電磁波を得る。ステップ４Ｓ４ｂにおいて、導波材を介して、前記一方向の周波数整合変調された電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に入射させ、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高める。
さらに、前記ステップ４Ｓ３ｂにおけるアイソレータは、導波材サーキュレータ、光ファイバ導波材サーキュレータ、光ファイバ光アイソレータ、ファラデーローテータ、同軸アイソレータ、リボンケーブルアイソレータ、広帯域アイソレータ、デュアルジャンクションアイソレータ、マイクロストリップアイソレータ、減衰器、負荷のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、前記ステップ４Ｓ４ｂにおける電離領域に入射させる方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調、フォトニック結晶による変調、導波材による調整入射、直接入射のうちの１つ又は複数を含む。
さらに、標的分子をバルク相プラズマとして放出させる前記ステップは、具体的には以下のステップを含む。ステップ５Ｓ１において、前記標的分子のプラズマを材料表面領域から引き出し、非局在化プラズマを得る。ステップ５Ｓ２において、非局在化プラズマを特定の空間内に拘束し、より高いエネルギー密度を得る。
さらに、前記ステップ５Ｓ１における材料表面領域から引き出すステップは、真空吸引、気流輸送、負圧抽出、外部接地による吸引、外部電磁波源による誘導、外部電流による誘導のうちの１つ又は複数の方法を含む。
さらに、前記ステップ５Ｓ２におけるプラズマの拘束は、印加磁界による拘束、接地電流で形成される磁界による自己ピンチ拘束、気流拘束、衝突による拘束のうちの１つ又は複数の方法を含む。
もう一つの態様において、本発明はさらに、内部のプラズマとして上記の何れか一つ又は複数に記載のプラズマを備えるプラズマデバイスを提供する。かかるプラズマデバイスには、センサ、プラズマ源、反応器、アンテナ、モータ等が含まれるが、これらに限定されない。
本発明は表面結合による電離誘起技術及びそれに対応するプラズマを提供し、該電離誘起技術は、電磁波を印加することにより、材料の表面プラズマ波を励起させるとともに、材料表面での標的分子の吸着により、標的分子の結合エネルギーを弱め、電離しやすくする。さらに、標的分子が電離した後、再び電磁波を供給することにより、電離後の分子を維持させて電離度を高め、安定したプラズマを形成させて材料表面から引き出すことで、常圧プラズマ源を形成させる。異なる電磁波、材料のタイプと標的分子のタイプを調整することで、各種の異なるプラズマを形成し、各種の需要を満足させることができる。これにより、従来の電磁波で標的分子を直接電離させてプラズマを形成させることの難易度が大幅に低下し、対象となる標的分子が特定波長の電磁波に対する吸収能力を有していなくても、材料への標的分子の吸着により、材料が表面プラズマにより標的分子の電離を誘起することができる。電磁波の２つのビーム間のパワー比率を調整することにより、プラズマ内のエネルギー供給効率を最大化して、電子温度とイオン温度の範囲が非常に広く、エネルギー密度が極めて高い新型のプラズマを形成することができる。本発明は同時に、この表面結合による電離誘起技術及びそれに対応するプラズマにより形成されるプラズマデバイスを提供する。
先行技術に比べて、本発明は非常に直感的な応用の価値を有する新しい常圧プラズマの形成方法を提案する。典型的な応用には、プラズマトーチによる、観測に適した高次励起状態を励起し、従来のＯＥＳの光スペクトラム分析精度を高め、ｐｐｔあるいはそれ以上の検出限界を達成すること、または、常圧でのダイヤモンドコーティング、または他のナノ粉体材料の調製を実現すること、または、排気ガスの処理に用いられ、有機排気ガスの無害化の処理目標を達成すること、ひいては高エネルギー陽子ビームを形成してターゲティングし、小型化した中性子ビーム源を実することなどが含まれ、様々な応用の可能性が存在する。
以上のように、本発明は、電離する分子の範囲が広く、エネルギー供給効率が高く、エネルギー密度が高く、電子温度及びイオン温度の範囲が広いという利点があり、プラズマの応用範囲を広げるために信頼性の高い前提条件を提供することができる。
本発明の目的、技術案及び利点をより明らかにするために、以下では、添付図面及び実施例を組み合わせて本発明をさらに詳しく説明する。ここで説明する具体的な実施例は本発明を解釈するためだけに使われるのであって、本発明を限定するために使われるものではないと理解しておくべきである。矛盾しない限り、本発明における実施例及び実施例における特徴は互いと組み合わせてもよいことは、説明しておく必要がある。
本発明は表面結合による電離誘起の技術的方法、及びそれに対応するプラズマ、ならびにプラズマデバイスを提供する。
本発明で説明する表面結合による電離誘起の技術的方法とは、材料と標的分子との間の表面相互作用により、材料上の表面プラズマと結合させることで、標的分子の電離を誘起してプラズマを形成させる方法である。
従来技術に比べて、本願発明者らが初めて革新的に、材料の表面プラズマを吸着による標的分子と材料の相互作用と結合させ、さらに電磁波により標的分子の電離を強化し、安定したプラズマを形成させる。これにより、標的分子にプラズマを形成させることの難易度が大幅に低下し、対象となる標的分子が特定波長の電磁波に対する吸収能力を有していなくても、材料への標的分子の吸着により、材料が表面プラズマにより標的分子の電離を誘起することができる。
この発明の構想に基づいて、本発明は一連の異なる形態、サイズ及びタイプの材料を、標的分子の吸着媒体及び表面プラズマの担体として選択した。
前記材料形態は、固体と液体とを含む。ここで、前記固体の形態は、薄膜、粒子、粉体、エアロゾル、フォトニック結晶、固気二相流のうちの１つ又は複数を含むが、それらに限定されない。前記液体の形態は、液滴、分散液、気液二相流のうちの１つ又は複数を含むが、それらに限定されない。異なる形態の材料の選択は主に、異なる形態によって異なる比表面積、ミクロ構造を提供するためであり、さらに、表面プラズマ波を励起しやすくするために、形態によって材料上の追加の波動ベクトルを制御することができる。
前記材料のサイズは０．３ｎｍ～１０００ｍｍであり、好ましくは１ｎｍ～１００ｕｍである。このサイズの材料を選択するのは主に、このサイズ範囲内では、表面プラズマがナノメートルからサブマイクロメートルスケールの粒子境界に拘束され、波動ベクトルの不確定性が非常に大きいため、表面プラズマ結合への入射角角度の要求が低くなり、波動ベクトル整合を実現しやすいからである。
前記材料は、金属及び合金材料、炭素材料、セラミック材料、有機導体材料、半導体材料のうちの１つ又は複数を含む。さらに、前記炭素材料は、無欠陥グラフェン、高度欠陥グラフェン、アミノ化グラフェン、カルボキシル化グラフェン、ヒドロキシル化グラフェン、チオール化グラフェン、酸化グラフェン、メチル化グラフェン、トリフルオロメチル化グラフェン、オクタデシル化グラフェン、フッ化グラフェン及びヨウ化グラフェン、人工グラファイト、天然グラファイト、グラファイト化炭素マイクロビーズ、グラファイト化カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ、ガラス化カーボン、アモルファスカーボン、カーボンナノホーン、炭素繊維、炭素量子ドット、分子篩炭素のうちの１つ又は複数を含む。このような材料を選択するのは主に、それらが様々な異なるバンドギャップを持っているため、異なる励起条件での励起が可能であり、しかもこのような材料は良好な表面プラズモン品質係数を持つことが多く、形成される表面プラズマは比較的遠くまで伝播することができるため、標的分子の電離確率を更に高くすることができることを考慮したからである。
本発明で説明する表面結合による電離誘起の技術的方法はすなわち、自由空間または導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給し、第１ビームの電磁波を材料の表面プラズマと共振させ、表面プラズマ波を励起させる方法である。それと同時に、材料表面へ電離させようとする標的分子を導入し、材料表面と標的分子との相互作用を制御することにより、標的分子の電子と材料上の表面プラズモンとを結合させ、標的分子の電離を誘起する。継続的に、自由空間または導波材を介して、さらに第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給し、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高める。最終的に、標的分子をバルク相プラズマとして放出させ、表面結合による電離誘起を実現する。
導波材により、入射電磁波のアイソレーションを容易に実現し、作業中に電磁波源に損傷を与えるのを回避することができるので、本発明では、好ましくは第１ビームの電磁波、第２ビーム以降の電磁波を導波材により入射させることにしている。具体的には、以下のステップを含む。
ステップ１Ｓ１において、第１ビームの電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第１ビームの変調電磁波を得る。
ステップ１Ｓ２ｂにおいて、導波材を介して前記第１ビームの変調電磁波をアイソレータに供給し、一方向の第１ビームの変調電磁波を得る。
ステップ１Ｓ３ｂにおいて、前記一方向の第１ビームの変調電磁波と材料の表面プラズマとの周波数波動ベクトルを整合させるように調整し、波動ベクトル整合一方向変調電磁波を得る。
ステップ１Ｓ４ｂにおいて、前記波動ベクトル整合一方向変調電磁波を導波材を介して材料表面に入射させ、材料表面に表面プラズマ波を形成させる。
ステップ２Ｓ１において、標的分子を気相環境に導入して、気相内の標的分子を得る。
ステップ２Ｓ２において、前述の気相内の標的分子を、材料表面に移動させる。
ステップ３Ｓ１において、材料の微細構造と表面電磁界分布を制御して、調整後の材料を得る。
ステップ３Ｓ２において、標的分子の状態を制御して、調整後の標的分子を得る。
ステップ３Ｓ３において、前記調整後の材料を前記調整後の標的分子に結合させ、材料表面と標的分子との相互作用に対する制御を実現して、標的分子の電離を引き起こす。
ステップ４Ｓ１において、第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及びその分布、及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第２ビーム以降の変調電磁波を得る。
ステップ４Ｓ２において、前記第２ビーム以降の変調電磁波と電離後の標的分子のプラズマ周波数を整合させるように調整し、周波数整合変調された電磁波を得る。
ステップ４Ｓ３ｂにおいて、導波材を介して前記周波数整合変調された電磁波をアイソレータに供給し、一方向の周波数整合変調された電磁波を得る。
ステップ４Ｓ４ｂにおいて、導波材を介して、前記一方向の周波数整合変調された電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に入射させ、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高める。
ステップ５Ｓ１において、前記標的分子のプラズマを材料表面領域から引き出し、非局在化プラズマを得る。
ステップ５Ｓ２において、非局在化プラズマを特定の空間内に拘束し、より高いエネルギー密度を得る。
どのような変調によっても入射電磁波のパワーが損失してしまうので、入射電磁波源の特性については、変調することなく最大パワーの入力を達成できるのが理想的である。
このため、ビームについての需要分析から、以下のことが分かる。
上記第１ビームの電磁波は、ガンマ線、硬Ｘ線、軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波、ＬＦ電波、ＶＬＦ電波、ＵＬＦ電波、ＥＬＦ電波のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波である。
上記第１ビームの電磁波の波長及びその分布は、０．０１ｎｍ～１００ｋｍであり、好ましくは１０ｎｍ～１ｍである。
上記第１ビームの電磁波の空間分布は、ガウシアンビーム、ベッセルビーム、エアリービーム、ラゲールガウシアンビーム、余弦ガウシアンビーム、マシュービーム、フラットトップビーム、ボルテックスビームのうちの１つ又は複数を含み、好ましくはガウシアンビーム、ベッセルビーム、ラゲールガウシアンビーム、フラットトップビームである。
上記第１ビームの電磁波の偏光度は０．０１％～９９％であり、好ましくは９０％～９９％である。
上記第１ビームの電磁波の偏光モードは、自然光、部分偏光、直線偏光、円偏光、楕円偏光、方位角偏光、放射状偏光のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは直線偏光である。
上記第１ビームの電磁波の偏光は、Ｓ波偏光とＰ波偏光とを含み、好ましくはＰ波偏光である。
上記第１ビームの電磁波の軌道角運動量及びその分布は－１０～＋１０であり、好ましくは±１である。
上記第１ビームの電磁波の位相及びその分布は０～２πである。
上記第２ビーム以降の電磁波は、ガンマ線、硬Ｘ線、軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波、ＬＦ電波、ＶＬＦ電波、ＵＬＦ電波、ＥＬＦ電波のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波である。
上記第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布は０．０１ｎｍ～１００ｋｍであり、好ましくは１ｕｍ－１Ｋｍである。
上記第２ビーム以降の電磁波の空間分布は、ガウシアンビーム、ベッセルビーム、エアリービーム、ラゲールガウシアンビーム、余弦ガウシアンビーム、マシュービーム、フラットトップビーム、ボルテックスビームのうちの１つ又は複数を含み、好ましくはガウシアンビーム、フラットトップビームである。
上記第２ビーム以降の電磁波の偏光度は０．０１％～９９％であり、好ましくは０．０１％～０．１％である。
上記第２ビーム以降の電磁波の偏光モードは、自然光、部分偏光、直線偏光、円偏光、楕円偏光、方位角偏光、放射状偏光のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは自然光、部分偏光である。
上記第２ビーム以降の電磁波の偏光は、Ｓ波偏光とＰ波偏光とを含む。
上記第２ビーム以降の電磁波の軌道角運動量及びその分布は－１０～＋１０であり、好ましくは０である。
上記第２ビーム以降の電磁波の位相及びその分布は０～２πである。
また、本発明者らは、標的分子のイオン化前とイオン化後では、電磁波に対する吸収レベルに極めて大きな差があることを発見したので、イオン化前とイオン化後に必要な電磁波を区分けすることで、供給される電磁波の利用率を最大化することを保証する。イオン化前に使用されるビームは、一定のパワーの下での特定の波長及びモードが特徴として要求されるとともに、エネルギーができる限り集中して分布することが要求される一方、イオン化後に使用されるビームは、イオン化からバルク相プラズマの形成までのプロセスができる限り速く完了することを保証するために、できる限り高いパワー、高い励起状態を有することが特徴として要求される。
このため、ビームについての需要分析から、以下のことが分かる。
上記ステップ１Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは干渉による変調、吸収変調、フィルタデバイスによる変調、共振キャビティによる強化変調である。
上記ステップ１Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは送信アンテナによる変調、屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調である。
上記ステップ１Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくはシングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調である。
上記ステップ１Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは空間光変調器による変調である。
上記ステップ１Ｓ２ｂにおけるアイソレータは、導波材サーキュレータ、光ファイバ導波材サーキュレータ、光ファイバ光アイソレータ、ファラデーローテータ、同軸アイソレータ、リボンケーブルアイソレータ、広帯域アイソレータ、デュアルジャンクションアイソレータ、マイクロストリップアイソレータ、減衰器、負荷のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは導波材サーキュレータ、光ファイバ導波材サーキュレータ、光ファイバ光アイソレータである。
上記ステップ１Ｓ３ｂにおける波動ベクトル整合方法は、グレーティング、フォトニック結晶導波材、導波材とプリズム内部全反射との結合、誘電率１未満のメタマテリアル導波材、多重減衰内部全反射デバイス、導波材内部全反射デバイス、内部全反射デバイス、波長より小さい近接場導波材プローブによる照射、直接整合のうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは導波材とプリズム内部全反射との結合、多重減衰内部全反射デバイス、導波材内部全反射デバイス、内部全反射デバイス、波長より小さい近接場導波材プローブによる照射、直接整合である。
上記ステップ４Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは波長分散変調、フィルタデバイスによる変調である。
上記ステップ４Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは送信アンテナによる変調、曲率可変反射デバイスによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調である。
上記ステップ４Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは空間光変調器による変調、モード変換器による変調である。
上記ステップ４Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは位相偏移変調、空間光変調器による変調である。
上記ステップ４Ｓ２における周波数整合方法は、波長分散デバイスによる変調整合、フィルタデバイスによる変調整合、屈折デバイスによる変調整合、干渉による変調整合、吸収変調整合、非線形光変調整合、直接入射のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは非線形光変調整合または直接入射である。
ステップ２Ｓ１～２Ｓ２は、標的分子を気化させて材料表面に導入し、標的分子をイオン化させるステップである。標的分子自体が常温常圧で気体である場合にイオン化効率が最も高い。また、気体分子については、イオン化できなかった気体自体もキャリアガスとしてプラズマを担持できるので、気体分子を好適に標的分子として選択することができる。
したがって、標的分子に対する特性分析により、以下のことが分かった。
上記ステップ２Ｓ１における標的分子を気相環境に導入する方法は、超音波霧化、加熱蒸発、真空気化、直接気化、気流搬送のうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは直接気化または気流搬送である。
上記ステップ２Ｓ２における材料表面に移動させるステップは、光ピンセットによる変位、超音波音響ピンセットによる変位、機械力による変位、気流による取り込み、真空吸引による変位、プローブ牽引による変位、磁力による変位のうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは気流による取り込みまたは真空吸引による変位である。
さらに、本発明の出願人らは、ステップ３Ｓ１～３Ｓ３は、標的分子と材料との相互作用を制御し、標的分子ができる限り材料表面の表面プラズマを利用してイオン化するようにすることに関連していることを発見した。このプロセスは結合効率に大きく影響し、相互作用が強いほど材料表面の表面プラズマが標的分子の電離を起こしやすくなる。一方、材料表面の加工や標的分子に対する制御条件への要求が単純であればあるほど実施しやすくなる。
以上のように、相互作用を制御するプロセスで用いられる条件は、下記の通りとすべきである。
上記ステップ３Ｓ１における材料の微細構造と表面電磁界分布を制御するステップは、材料表面のナノメートルスケール周期的微細構造の形成、材料表面のナノメートルスケールの非周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの非周期的微細構造の形成、材料表面官能基構造変調、材料表面欠陥状態密度構造変調、材料表面ドーピング構造変調、材料結晶ドメインサイズ変調、材料超格子構造変調、材料表面電圧変調、材料表面電界分布変調、材料磁区構造変調、材料磁場変調のうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは材料表面のナノメートルスケール周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの周期的微細構造の形成、材料表面欠陥状態密度構造変調、材料表面ドーピング構造変調である。
上記ステップ３Ｓ２における標的分子の状態を制御するステップは、電磁波により標的分子を励起して異なる励起状態を選択すること、濃度差により標的分子の材料上での化学ポテンシャルを制御すること、静電気導入により標的分子を帯電させること、磁場導入により標的分子を磁化させることのうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは濃度差により標的分子の材料上での化学ポテンシャルを制御すること、電磁波により標的分子を励起して異なる励起状態を選択することである。
最後に、プラズマを引き出すプロセスにおいて、標的分子自体が気体である場合、あるいはキャリアガスを用いてプラズマを引き出す場合、最も自然な引き出し方と拘束方法、すなわち気流輸送と気流拘束であることを容易に発見することができる。プラズマを真空チャンバ内に導入することが望ましいいくつかの環境においては、真空吸引によってプラズマを真空チャンバ内に引き込むこともできる。また、プラズマについて、その内部に一度電流が形成されると、電流の磁気効果により自己ピンチ磁場が発生し、プラズマが拘束されるの、外部の電磁波源を通して誘導することで、引き出されるプラズマをさらに強化することができる。
したがって、引出しと拘束によって形成されるプラズマについては、以下のようにすべきである。
上記ステップ５Ｓ１における材料表面領域から引き出すステップは、真空吸引、気流輸送、負圧抽出、外部接地による吸引、外部電磁波源による誘導、外部電流による誘導のうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは真空吸引、気流輸送、外部接地による吸引、外部電磁波源による誘導である。
上記ステップ５Ｓ２におけるプラズマの拘束は、印加磁界による拘束、接地電流で形成される磁界による自己ピンチ拘束、気流拘束、衝突による拘束のうちの１つ又は複数の方法を含み、好ましくは接地電流で形成される磁界による自己ピンチ拘束、気流拘束、衝突による拘束である。
従来のプラズマ形成プロセスが電磁波やその他の方法により電離させようとする標的分子に直接エネルギーを供給するのに比べて、電離後の標的分子の周波数が供給される電磁波と整合する場合、共振により最大の吸収効率を達成できるため、電離後の標的分子に電磁波によりエネルギーを供給する効率ははるかに高い。一方、従来のプラズマ形成プロセスにおいて、電離させようとする標的分子は供給される電磁波に対して特別な吸収能力を持たないことが多かったが、材料上で材料の状態を制御することで、供給される電磁波に対して、対象とする材料による吸収を完全吸収に近いものとすることが可能である。これにより、本発明により提供されるプラズマの初期形成を、従来のプラズマの初期形成よりもはるかに容易にすることができる。以上のように、本発明は、電離する分子の範囲が広く、エネルギー供給効率が高く、エネルギー密度が高く、電子温度及びイオン温度の範囲が広いという利点がある。
したがって、本発明はさらにプラズマデバイスを提供し、該プラズマデバイスには、上記プラズマが含まれる。上記プラズマが上記の利点を有するので、プラズマを備えたプラズマデバイスも同様に、電離する分子の範囲が広く、エネルギー供給効率が高く、エネルギー密度が高く、電子温度及びイオン温度の範囲が広いという利点を有する。
以下、具体的な実施例に関連して、本発明の解決策についてさらに説明する。
第１ビームの電磁波として、１５５０ｎｍの近赤外線ガウシアンビームを使用し、１５５０ｎｍの光ファイバの末端にメッキされた３０ｎｍの金薄膜を材料として使用した。電離する標的分子は一酸化炭素である。第２ビームの電磁波として、６ｕｍの中赤外線のガウシアンビームを使用した。
１５５０ｎｍの近赤外レーザー光はレーザーから出射され、偏光度９８％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、干渉変調によりその波長分布を制御し、屈折デバイスによりその空間分布を変調し、光弾性変調によりその偏光分布を変調し、空間光変調器による変調でその位相を変調する。変調完了後、偏波保持光ファイバを導波材として光ファイバ光アイソレータに供給し、さらに光ファイバ導波材の内部全反射を通して光ファイバ末端の金薄膜表面に表面プラズマを形成させる。
ボンベで一酸化炭素を輸送し、直接気化させて一酸化炭素ガス流を得て、窒素ガスをキャリアガスとして金薄膜の表面に送り、濃度差により化学ポテンシャルを制御し、結晶ドメイン変調でより強い相互作用を得る。完了後、一酸化炭素は金薄膜表面上で吸着され、さらに金薄膜表面の表面プラズマに誘起されて、一酸化炭素のイオン化が引き起こされる。
６ｕｍの中赤外線レーザー光はレーザーから出射され、偏光度９０％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、フィルタデバイスによる変調によりその波長分布を制御し、空間光変調器による変調でその空間と位相分布を制御し、モード変換器によりその偏光を変調する。変調完了後、高出力光ファイバを導波材として光ファイバ光アイソレータに供給し、さらに光ファイバを通して一酸化炭素のイオン化領域に入射させて、一酸化炭素プラズマを形成させる。
最後に、窒素キャリアガスによる気流輸送、気流拘束を通して、安定した常圧一酸化炭素プラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、４０５ｎｍのベッセルビームを用い、プリズム面の下に配置された１ｕｍのカーボンナノチューブを材料として使用した。電離する標的分子はヨウ素分子である。第２ビームの電磁波は３２．７５ｃｍのマイクロ波ガウシアンビームを使用した。
４０５ｎｍの青紫色の光はＬＥＤから出射され、偏光度１８％、軌道角運動量０のベッセルビームである。出射後、波長分散デバイスによる変調でその波長分布を制御し、マトリックス反射デバイスによる変調でその空間分布を変調し、偏光板によりその偏光分布を変調し、複屈折デバイスによる変調でその位相を変調する。変調完了後、石英光ファイバを導波材として光ファイバ導波材サーキュレータに供給し、さらに光ファイバの末端をプリズム内部全反射に結合させて、カーボンナノチューブの表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
ヨウ素分子を熱により蒸発させ、アルゴンガスをキャリアガスとしてカーボンナノチューブの表面に送り、カーボンナノチューブ表面のヨウ素分子を電磁波により励起し、カーボンナノチューブ表面をドーピンして変調することにより強い相互作用を得る。完了後、カーボンナノチューブ粉末表面にヨウ素分子が吸着され、さらにカーボンナノチューブ粉末表面の表面プラズマに誘起されて、ヨウ素のイオン化が引き起こされる。
３２．７５ｃｍのマイクロ波は、９１５ＭＨｚのマイクロ波源から導波材を介して出射され、偏光度０．０１％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、共振キャビティによる強化変調でその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、位相偏移変調でその位相分布を変調し、シングルモードキャビティによる変調でその偏光を変調する。変調完了後、導波材を介してシステム内に供給し、さらに導波材を介してヨウ素分子イオン化領域に直接入射させ、ヨウ素プラズマを形成させる。
最後に、アルゴンガスキャリアガスによる気流輸送、衝突による拘束を通して、安定した常圧一酸化炭素プラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、１２．２４ｃｍのマイクロ波ガウシアンビームを用い、平面上に配置された１ｍｍの鉄粒子を材料として使用した。電離する標的分子は酸素ガスである。第２ビームの電磁波として、１２．２４ｃｍのマイクロ波ガウシアンビームを使用した。
１２．２４ｃｍのマイクロ波は、２４５０ＭＨｚのマイクロ波源から導波材を介して出射され、偏光度０．０４％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、吸収変調でその波長分布を制御し、曲率可変反射デバイスでその空間分布を変調し、シングルモードキャビティによりその偏光分布を変調し、位相偏移でその位相を変調する。変調完了後、自由空間から平板上の鉄粒子に供給し、さらに直接整合を介して、鉄粒子の表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
ボンベで酸素ガスを輸送し、直接気化させて鉄粒子の表面に送り、酸素ガスをキャリアガスとして、濃度差により化学ポテンシャルを制御し、材料の表面電圧により変調することでより強い相互作用を得る。完了後、酸素ガスは表面上で吸着され、さらに鉄粒子表面の表面プラズマに誘起されて、酸素ガスのイオン化が引き起こされる。
１２．２４ｃｍのマイクロ波は、２４５０ＭＨｚのマイクロ波源から導波材を介して出射され、偏光度０．０４％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、フィルタデバイスによる変調によりその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、屈折デバイスによる変調でその位相分布を変調し、モード変換器による変調でその偏光を変調する。変調完了後、自由空間からシステム内に供給し、さらに干渉による変調整合を介して酸素ガスのイオン化領域に入射させ、酸素ガスプラズマを形成させる。
最後に、負圧抽出による輸送、衝突による拘束での拘束を通して、安定した常圧酸素ガスプラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、３３６５ｎｍの近紫外ガウシアンビームを用い、平面上に配置された０．２ｕｍのフッ化グラフェンを材料として使用した。電離する標的分子は三フッ化窒素である。第２ビームの電磁波として、１２．２４ｃｍのマイクロ波フラットトップビームを使用した。
３６５ｎｍの近紫外レーザー光はレーザーから出射され、偏光度９２％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、干渉変調によりその波長分布を制御し、空間光変調器による変調でその空間分布を変調し、モード変換器によりその偏光分布を変調し、複屈折デバイスによりその位相を変調する。変調完了後、自由空間から平面上に供給し、フッ化グラフェンの表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
ボンベで三フッ化窒素を輸送し、直接気化させて三フッ化窒素ガス流を得て、窒素ガスをキャリアガスとしてフッ化グラフェンの表面に送り、静電気導入により三フッ化窒素を帯電させ、フッ化グラフェンの表面電界分布を変調することでより強い相互作用を得る。完了後、三フッ化窒素は表面上で吸着され、さらにフッ化グラフェン表面の表面プラズマに誘起されて、三フッ化窒素のイオン化が引き起こされる。
１２．２４ｃｍのマイクロ波は、２４５０ＭＨｚのマイクロ波源から導波材を介して出射され、偏光度０．１％、軌道角運動量０のフラットトップビームである。出射後、共振キャビティによる強化変調でその波長分布を制御し、マトリックス反射デバイスによる変調でその空間分布を変調し、屈折デバイスによる変調でその位相分布を変調し、モード変換器による変調でその偏光を変調する。変調完了後、導波材を介してシステム内に供給し、さらに導波材を介して三フッ化窒素のイオン化領域に直接入射させ、三フッ化窒素プラズマを形成させる。
最後に、負圧抽出による輸送、気流拘束を通して、安定した常圧三フッ化窒素プラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、９８０ｎｍの近赤外ガウシアンビームを用い、グレーティング上に配置された１０ｕｍのガラス化カーボンを材料として使用した。電離する標的分子はアンモニアガスである。第２ビームの電磁波として、１.０６４ｕｍの近赤外のボルテックスビームを使用した。
９８０ｎｍの近赤外光はレーザーから出射され、偏光度８５％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、フィルタデバイスによる変調によりその波長分布を制御し、屈折デバイスによる変調でその空間分布を変調し、複屈折デバイスによりその偏光分布を変調し、空間光変調器による変調でその位相を変調する。変調完了後、自由空間からグレーティング上に供給し、ガラス化カーボンの表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
アンモニアガスを加熱により蒸発させ、アンモニアガスをキャリアガスとしてガラス状カーボン表面に送り、静電気の導入により標的分子を帯電させるとともに、ガラス状カーボンの表面にマイクロメートルスケールの周期的微細構造を形成することで、より強い相互作用を得る。完了後、アンモニアガスは表面上で吸着され、さらにガラス化カーボン表面の表面プラズマに誘起されて、アンモニアガスのイオン化が引き起こされる。
１.０６４ｕｍの近赤外光はレーザーから出射され、偏光度９１％、軌道角運動量±１のボルテックスビームである。出射後、非線形光変調でその波長分布を制御し、曲率可変反射デバイスによる変調でその空間分布を制御し、複屈折デバイスによりその位相分布を変調し、空間光変調器によりその偏光を変調する。変調完了後、自由空間からシステム内に供給し、さらに送信アンテナによる変調を介してアンモニアガスのイオン化領域に入射させ、アンモニアガスプラズマを形成させる。
最後に、外部接地による吸引での輸送、接地電流で形成される磁界による自己ピンチ拘束での拘束を通して、安定した常圧アンモニアガスプラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、２６５ｎｍの近赤外マシュービームを用い、マイクロスケール導波材上に配置された１０ｕｍのβ－アルミナを材料として使用した。電離する標的分子は水分子である。第２ビームの電磁波として、１．５４ｕｍの近赤外のガウシアンビームを使用した。
極紫外光はＬＥＤから出射され、偏光度７６％、軌道角運動量０．０７％のマシュービームである。出射後、干渉変調によりその波長分布を制御し、空間光変調器による変調でその空間分布を変調し、偏光板によりその偏光分布を変調し、位相偏移でその位相を変調する。変調完了後、自由空間からデュアルジャンクションアイソレータ内に供給し、さらに多重減衰内部全反射デバイスを介して、β－アルミナ表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
光ピンセットによる変位により水分子をβ－アルミナ表面に送り、電磁波により標的分子を励起して異なる励起状態を選択し、β－アルミナ表面の電圧を変調することでより強い相互作用を得る。完了後、水分子は表面上で吸着され、さらにβ－アルミナ表面の表面プラズマに誘起されて、水分子のイオン化が引き起こされる。
１．５４ｕｍのレーザー光は、アセチレン周波数安定化レーザにより出射され、偏光度２％、軌道角運動量±１のガウシアンビームである。出射後、波長分散デバイスによる変調でその波長分布を制御し、曲率可変反射デバイスによりその空間分布を制御し、光弾性変調によりその位相分布を変調し、空間光変調器によりその偏光を変調する。変調完了後、高出力光ファイバを導波材として広帯域アイソレータシステムに供給し、さらに光ファイバ導波材による調整を通して水分子のイオン化領域に入射させて、水分子プラズマを形成させる。
最後に、外部電流による誘導で輸送し、印加磁界による拘束で拘束し、安定した常圧水分子プラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として１０ｎｍの軟Ｘ線ガウシアンビームを使用しマイクロスケール表面上に配置された３０ｎｍのペロブスカイト量子ドットを材料として使用した。電離する標的分子は銅フタロシアニンである。第２ビームの電磁波として、３２．７５ｃｍのマイクロ波エアリービームを使用した。
１０ｎｍ軟Ｘ線はＸ線管から出射され、偏光度０．０９％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、吸収変調でその波長分布を制御し、吸収デバイスによる変調でその空間分布を制御し、複屈折デバイスによりその偏光分布を変調し、複屈折デバイスによりその位相を変調する。変調完了後、軟Ｘ線光ファイバ導波材を介して光ファイバ導波材サーキュレータ内に供給し、さらに波長より小さい近接場導波材プローブによる照射を介して、ペロブスカイト量子ドットの表面に入射させて、表面プラズマを形成させる。
プローブ牽引により銅フタロシアニンを変位させ、ペロブスカイト量子ドットの表面に送り、電磁波により標的分子を励起して異なる励起状態を選択し、材料結晶ドメインに対して変調することでより強い相互作用を得る。完了後、銅フタロシアニンはペロブスカイト量子ドットの表面上で吸着され、さらにペロブスカイト量子ドット表面の表面プラズマに誘起されて、銅フタロシアニンのイオン化が引き起こされる。
３２．７５ｃｍのマイクロ波は、９１５ＭＨｚのマイクロ波進行波管から出射され、偏光度０．５％、軌道角運動量０のエアリービームである。出射後、共振キャビティによる強化変調でその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、位相偏移変調でその位相分布を変調し、シングルモードキャビティでその偏光を変調する。変調完了後、導波材を介してシステム内に供給し、さらに送信アンテナによる変調を介して銅フタロシアニンイオン化領域に入射させ、銅フタロシアニンプラズマを形成させる。
最後に、外部電磁波源による誘導で輸送し、印加磁界による拘束で拘束し、安定した常圧銅フタロシアニンプラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、０．１１ｍｍのテラヘルツ波ガウシアンビームを用い、キャビティ内に配置された厚さ１ｕｍのＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ薄膜を材料として使用した。電離する標的分子はパラセタモールである。第２ビームの電磁波として、５．１ｃｍのマイクロ波ガウシアンビームを使用した。
０．１１ｍｍのテラヘルツ波は２．７ＴＨｚのテラヘルツアンテナから出射され、偏光度０．０９％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、フィルタデバイスによる変調によりその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、シングルモードキャビティによりその偏光分布を変調し、位相偏移によりその位相分布を変調する。変調完了後、導波材を介してシングルモードキャビティ内に供給し、さらに誘電率１未満のメタマテリアルデバイスを介して、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳの表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
パラセタモールを超音波霧化させ、超音波音響ピンセットによりＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ表面に移送し、静電気導入により標的分子を帯電させ、材料表面の官能基構造に対して変調することにより、より強い相互作用を得る。完了後、パラセタモールはＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ表面上で吸着され、さらにＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ表面の表面プラズマに誘起されて、パラセタモールのイオン化が引き起こされる。
５．１ｃｍのマイクロ波は５．８ＧＨｚのマイクロ波マグネトロンより出射され、偏光度１．１％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、共振キャビティによる強化変調でその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、位相偏移変調でその位相分布を変調し、シングルモードキャビティでその偏光を変調する。変調完了後、導波材サーキュレータを介してシステム内に供給し、さらに吸収デバイスによる変調を介してパラセタモールのイオン化領域に入射させ、パラセタモールを形成させる。
最後に、真空吸引による輸送、衝突による拘束を通して、安定した常圧パラセタモールプラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、１３．４ｎｍの極紫外線を用い、キャビティ内に配置された２０ｕｍの炭素繊維を材料として使用した。電離する標的分子は窒素ガスである。第２ビームの電磁波として１００ｍのＭＦ電波を使用した。
１３．４ｎｍの極紫外線はプラズマ光源から出射され、偏光度０．０１％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、非線形光変調でその波長分布を制御し、曲率可変反射デバイスによる変調でその空間分布を制御し、シングルモードキャビティによりその偏光分布を変調し、位相偏移でその位相を変調する。変調完了後、自由空間からキャビティ内に供給し、さらに直接整合を介して、炭素繊維の表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
ボンベで窒素ガスを輸送し、直接気化させて窒素ガス流を得て、窒素ガス流を気流による取り込みにより炭素繊維の表面に送り、濃度差により標的分子の材料上での化学ポテンシャルを制御するとともに、材料表面にマイクロメートルスケールの周期的微細構造を形成することにより、より強い相互作用を得る。完了後、窒素ガスは表面上で吸着され、さらに炭素繊維表面の表面プラズマに誘起されて、窒素ガスのイオン化が引き起こされる。
１００ｍのＭＦ電波はアンテナから出射され、偏光度３．５％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、干渉変調によりその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、位相偏移によりその位相分布を変調し、モード変換器によりその偏光を変調する。変調完了後、導波材を介してシステム内に供給し、さらにフィルタデバイスによる変調整合を介して窒素ガスのイオン化領域に直接入射させ、窒素ガスプラズマを形成させる。
最後に、真空吸引による輸送、気流拘束による拘束を通して、安定した常圧窒素ガスプラズマを形成させる。
第１ビームの電磁波として、１２．２４ｃｍのマイクロ波ガウシアンビームを用い、平板上に配置された５０ｎｍの酸化セリウムエアゾールを材料として使用した。電離する標的分子は二酸化窒素である。第２ビームの電磁波として１００ｍのＭＦ電波を使用した。
１２．２４ｃｍのマイクロ波は、２４５０ＭＨｚのマイクロ波源から導波材を介して出射され、偏光度０．０４％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、吸収変調でその波長分布を制御し、曲率可変反射デバイスでその空間分布を変調し、シングルモードキャビティによりその偏光分布を変調し、位相偏移でその位相を変調する。変調完了後、自由空間から供給し、さらに多重減衰内部全反射デバイスを介して、酸化セリウムエアゾールの表面に入射させて表面プラズマを形成させる。
ボンベで二酸化窒素を輸送し、直接気化させて二酸化窒素ガス流を得て、窒素ガスをキャリアガスとして酸化セリウムエアゾールの表面に送り、濃度差により標的分子の材料上での化学ポテンシャルを制御し、材料表面にナノメートルスケールの非周期的微細構造を形成することにより、より強い相互作用を得る。完了後、二酸化窒素は酸化セリウムエアゾールの表面上で吸着され、さらに酸化セリウム表面の表面プラズマに誘起されて、二酸化窒素のイオン化が引き起こされる。
１００ｍのＭＦ電波はアンテナから出射され、偏光度３．５％、軌道角運動量０のガウシアンビームである。出射後、干渉変調によりその波長分布を制御し、送信アンテナによる変調でその空間分布を制御し、位相偏移によりその位相分布を変調し、モード変換器によりその偏光を変調する。変調完了後、アンテナにより自由空間から供給し、さらにフィルタデバイスによる変調整合を介して二酸化窒素のイオン化領域に入射させ、二酸化窒素プラズマを形成させる。
最後に、気流輸送、気流拘束を通して、安定した常圧二酸化窒素プラズマを形成させる。
以上に述べたのは本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明を制限するためのものではない。本願の要旨と原則の範囲内で行われる任意の修正、均等物による置換、改良等は、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。
Claims (60)
- 表面結合による電離誘起技術であって、
自由空間または導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給し、第１ビームの電磁波を材料の表面プラズマと共振させ、表面プラズマ波を励起させて、材料表面へ電離させようとする標的分子を導入し、材料表面と標的分子との相互作用を制御することにより、標的分子の電子と材料上の表面プラズモンとを結合させ、標的分子の電離を誘起するステップ１と、
継続的に、自由空間または導波材を介して、さらに第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給し、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高めるステップ２と、
標的分子をバルク相プラズマとして放出させ、表面結合による電離誘起を実現するステップ３と
のうちの何れか１つのステップを含む表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料形態は、固体と液体とを含み、前記固体の形態は、薄膜、粒子、粉体、エアロゾル、フォトニック結晶、固気二相流のうちの１つ又は複数を含み、前記液体の形態は、液滴、分散液、気液二相流のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料のサイズは０．３ｎｍ～１０００ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料は、金属及び合金材料、炭素材料、セラミック材料、有機導体材料、半導体材料のうちの１つ又は複数の混合物を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における金属及び合金材料は、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、イオウ、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、テルリウム、セシウム、バリウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、タリウム、鉛、ビスマス、ポロニウム、フランシウム、ラジウム、ランタノイド、アクチニドを含む金属または合金のうちの１つまたは複数を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１におけるセラミックス材料は、酸化物セラミックス、ケイ酸塩セラミックス、窒化物セラミックス、ホウ酸塩セラミックス、リン酸塩セラミックス、炭化物セラミックス、アルミン酸塩セラミックス、ゲルマニウム酸塩セラミックス、チタン酸塩セラミックスのうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における前記有機導体材料は、ポリアセチレン、ポリアリールアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリフェニレンスルフィド、ＴＴＦ－ＴＣＮＱ、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ、テトラチアフルバレン、ポリフルオレン、ポリパラフェニレン、ポリ芳香族炭化水素などの、連続した共役フレームワークを有する化合物のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における半導体材料は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体、ＩＩ－ＶＩ族半導体、ＩＶ族半導体、量子ドット半導体、ペロブスカイト型半導体粒子のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料内の炭素材料は、グラフェンや、アミノ化グラフェン、カルボキシル化グラフェン、ヒドロキシル化グラフェン、チオール化グラフェン、酸化グラフェン、メチル化グラフェン、トリフルオロメチル化グラフェン、オクタデシル化グラフェン、フッ化グラフェン及びヨウ化グラフェン、人工グラファイト、天然グラファイト、グラファイト化炭素マイクロビーズ、グラファイト化カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ、ガラス化カーボン、アモルファスカーボン、カーボンナノホーン、炭素繊維、炭素量子ドット、分子篩炭素のうちの１つ又は複数の混合物を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波は、ガンマ線、硬Ｘ線、軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波、ＬＦ電波、ＶＬＦ電波、ＵＬＦ電波、ＥＬＦ電波のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の波長又はその分布は０．０１ｎｍ～１００ｋｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の空間分布は、ガウシアンビーム、ベッセルビーム、エアリービーム、ラゲールガウシアンビーム、余弦ガウシアンビーム、マシュービーム、フラットトップビーム、ボルテックスビームのうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の偏光度は０．０１％～９９％である
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の偏光モードは、自然光、部分偏光、直線偏光、円偏光、楕円偏光、方位角偏光、放射状偏光のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の偏光は、Ｓ波偏光とＰ波偏光とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の軌道角運動量及びその分布は－１０～＋１０である
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における第１ビームの電磁波の位相及びその分布は０～２πである
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波は、ガンマ線、硬Ｘ線、軟Ｘ線、極紫外線、近紫外線、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、テラヘルツ、ＥＨＦマイクロ波、ＳＨＦマイクロ波、ＵＨＦマイクロ波、ＶＨＦ電波、ＨＦ電波、ＭＦ電波、ＬＦ電波、ＶＬＦ電波、ＵＬＦ電波、ＥＬＦ電波のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の波長又はその分布は０．０１ｎｍ～１００ｋｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の空間分布は、ガウシアンビーム、ベッセルビーム、エアリービーム、ラゲールガウシアンビーム、余弦ガウシアンビーム、マシュービーム、フラットトップビーム、ボルテックスビームのうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の偏光度は０．０１％～９９％である
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の偏光モードは、自然光、部分偏光、直線偏光、円偏光、楕円偏光、方位角偏光、放射状偏光のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の偏光は、Ｓ波偏光とＰ波偏光とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の軌道角運動量及びその分布は－１０～＋１０である
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における第２ビーム以降の電磁波の位相及びその分布は０～２πである
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１、２、３に記載の任意の標的分子の分子量の範囲は１０×１００Ｄａ～１０×１０２０Ｄａである
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における自由空間を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給する前記ステップは、具体的には、
第１ビームの電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第１ビームの変調電磁波を得るステップ１Ｓ１と、
前記第１ビームの変調電磁波と材料の表面プラズマとの周波数波動ベクトルを整合させるように調整し、波動ベクトル整合変調電磁波を得るステップ１Ｓ２ａと、
前記波動ベクトル整合変調電磁波を自由空間を介して材料表面に入射させ、材料表面に表面プラズマ波を形成させるステップ１Ｓ３ａと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１の１Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１の１Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１の１Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１の１Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１の１Ｓ１の位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１の１Ｓ２ａにおける波動ベクトル整合方法は、グレーティング、フォトニック結晶、自由空間光とプリズム内部全反射との結合、誘電率１未満のメタマテリアルデバイス、多重減衰内部全反射デバイス、自由空間光と導波材内部全反射デバイスとの結合、内部全反射デバイス、集束デバイス、直接整合のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給する前記ステップは、具体的には、
第１ビームの電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第１ビームの変調電磁波を得るステップ１Ｓ１と、
導波材を介して前記第１ビームの変調電磁波をアイソレータに供給し、一方向の第１ビームの変調電磁波を得るステップ１Ｓ２ｂと、
前記一方向の第１ビームの変調電磁波と材料の表面プラズマとの周波数波動ベクトルを整合させるように調整し、波動ベクトル整合一方向変調電磁波を得るステップ１Ｓ３ｂと、
前記波動ベクトル整合一方向変調電磁波を導波材を介して材料表面に入射させ、材料表面に表面プラズマ波を形成させるステップ１Ｓ４ｂと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ１Ｓ２ｂにおけるアイソレータは、方形導波材サーキュレータ、光ファイバ導波材サーキュレータ、光ファイバ光アイソレータ、ファラデーローテータ、同軸アイソレータ、リボンケーブルアイソレータ、広帯域アイソレータ、デュアルジャンクションアイソレータ、マイクロストリップアイソレータ、減衰器、負荷のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項３４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における導波材を介して第１ビームの電磁波を材料上に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ１Ｓ３ｂにおける波動ベクトル整合方法は、グレーティング、フォトニック結晶導波材、導波材とプリズム内部全反射との結合、誘電率１未満のメタマテリアル導波材、多重減衰内部全反射デバイス、導波材内部全反射デバイス、内部全反射デバイス、波長より小さい近接場導波材プローブによる照射、直接整合のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項３４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料表面へ電離させようとする標的分子を導入する前記ステップは、具体的には、
標的分子を気相環境に導入して、気相内の標的分子を得るステップ２Ｓ１と、
前述の気相内の標的分子を、材料表面に移動させるステップ２Ｓ２と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料表面へ電離させようとする標的分子を導入する前記ステップにおいて、前記ステップ２Ｓ１における標的分子を気相環境に導入する方法は、超音波霧化、加熱蒸発、真空気化、直接気化、気流搬送のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項３４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料表面へ電離させようとする標的分子を導入する前記ステップにおいて、前記ステップ２Ｓ２における材料表面に移動させるステップは、光ピンセットによる変位、超音波音響ピンセットによる変位、機械力による変位、気流による取り込み、真空吸引による変位、プローブ牽引による変位、磁力による変位のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項３４に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１における材料表面と標的分子との相互作用を制御する前記ステップは、具体的には、材料の微細構造と表面電磁界分布を制御して、調整後の材料を得るステップ３Ｓ１と、
標的分子の状態を制御して、調整後の標的分子を得るステップ３Ｓ２と、
前記調整後の材料を前記調整後の標的分子に結合させ、材料表面と標的分子との相互作用に対する制御を実現して、標的分子の電離を引き起こすステップ３Ｓ３と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１のステップ３Ｓ１における材料の微細構造と表面電磁界分布を制御するステップは、材料表面のナノメートルスケール周期的微細構造の形成、材料表面のナノメートルスケールの非周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの周期的微細構造の形成、材料表面のマイクロメートルスケールの非周期的微細構造の形成、材料表面官能基構造変調、材料表面欠陥状態密度構造変調、材料表面ドーピング構造変調、材料結晶ドメインサイズ変調、材料超格子構造変調、材料表面電圧変調、材料表面電界分布変調、材料磁区構造変調、材料磁場変調のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ１のステップ３Ｓ２における標的分子の状態を制御するステップは、電磁波により標的分子を励起して異なる励起状態を選択すること、濃度差により標的分子の材料上での化学ポテンシャルを制御すること、静電気導入により標的分子を帯電させること、磁場導入により標的分子を磁化させることのうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップは、具体的には、
第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第２ビーム以降の変調電磁波を得るステップ４Ｓ１と、
前記第２ビーム以降の変調電磁波と電離後の標的分子のプラズマ周波数を整合させるように調整し、周波数整合変調された電磁波を得るステップ４Ｓ２と、
自由空間を介して、前記周波数整合変調された電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に入射させ、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高めるステップ４Ｓ３ａと
を含むことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ２における周波数整合方法は、波長分散デバイスによる変調整合、フィルタデバイスによる変調整合、屈折デバイスによる変調整合、干渉による変調整合、吸収変調整合、非線形光変調整合、直接入射のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ３ａにおける電離領域に入射させる方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調、直接入射のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項４０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における導波材を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップは、具体的には、
第２ビーム以降の電磁波の波長及びその分布、空間分布、偏光及びその分布、及び軌道角運動量及びその分布、位相及びその分布等の要素を変調して、第２ビーム以降の変調電磁波を得るステップ４Ｓ１と、
前記第２ビーム以降の変調電磁波と電離後の標的分子のプラズマ周波数を整合させるように調整し、周波数整合変調された電磁波を得るステップ４Ｓ２と、
導波材を介して前記周波数整合変調された電磁波をアイソレータに供給し、一方向の周波数整合変調された電磁波を得るステップ４Ｓ３ｂと、
導波材を介して、前記一方向の周波数整合変調された電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に入射させ、電離後の標的分子に吸収させ、標的分子の電離度を高めるステップ４Ｓ４ｂと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における波長及びその分布の変調方法は、波長分散デバイスによる変調、フィルタデバイスによる変調、屈折デバイスによる変調、干渉による変調、吸収変調、非線形光変調、共振キャビティによる強化変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項５０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における空間分布の変調方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項５０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における偏光と軌道角運動量及びその分布の変調方法は、シングルモードキャビティによる変調、光弾性変調、空間光変調器による変調、モード変換器による変調、複屈折デバイスによる変調、偏光板による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項５０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ１における位相及びその分布の変調方法は、位相偏移変調、複屈折デバイスによる変調、空間光変調器による変調のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項５０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ３ｂにおけるアイソレータは、方形導波材サーキュレータ、光ファイバ導波材サーキュレータ、光ファイバ光アイソレータ、ファラデーローテータ、同軸アイソレータ、リボンケーブルアイソレータ、広帯域アイソレータ、デュアルジャンクションアイソレータ、マイクロストリップアイソレータ、減衰器、負荷のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項５０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ２における自由空間を介して、第２ビーム以降の電磁波を材料表面上の標的分子の電離領域に供給する前記ステップにおいて、前記ステップ４Ｓ４ｂにおける電離領域に入射させる方法は、屈折デバイスによる変調、送信アンテナによる変調、マトリックス反射デバイスによる変調、空間光変調器による変調、曲率可変反射デバイスによる変調、吸収デバイスによる変調、フォトニック結晶による変調、導波材による調整入射、直接入射のうちの１つ又は複数を含む
ことを特徴とする請求項５０に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ３における標的分子をバルク相プラズマとして放出させる前記ステップは、具体的には、
前記標的分子のプラズマを材料表面領域から引き出し、非局在化プラズマを得るステップ５Ｓ１と、
非局在化プラズマを特定の空間内に拘束し、より高いエネルギー密度を得るステップ５Ｓ２と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ３における標的分子をバルク相プラズマとして放出させる前記ステップにおいて、前記ステップ５Ｓ１における材料表面領域から引き出すステップは、真空吸引、気流輸送、負圧抽出、外部接地による吸引、外部電磁波源による誘導、外部電流による誘導のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - 前記ステップ３における標的分子をバルク相プラズマとして放出させる前記ステップにおいて、さらに、前記ステップ５Ｓ２におけるプラズマの拘束は、印加磁界による拘束、接地電流で形成される磁界による自己ピンチ拘束、気流拘束、衝突による拘束のうちの１つ又は複数の方法を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の表面結合による電離誘起技術。 - プラズマ源として上記請求項１～５９の何れか一つ又は複数に記載のプラズマ源を備える
ことを特徴とするプラズマデバイス。
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