JP5530589B2 - ナノ粒子の生成および堆積方法 - Google Patents
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Description
L〜(Dτ)1/2ln(F/Fth1)
この場合、Dは熱拡散係数、τはパルス持続時間である(S.ノルテ(Nolte),C.モンマ(Momma),H.ヤコブス(Jacobs),A.タナーマン (Tunnermann),B.N.チチコフ(Chichkov),B.ベレーゲハウゼン(Wellegehausen) 及び H.ウェリング(Welling),ジャーナル・オブ・ザ・オプティカル・ササイアティ・オブ・アメリカ(Journal of the Optical Society of America)B,第14巻、第10号、p2716,1997年を参照)。イオン化およびプラズマ形成の段階(3)では、単純化のためにサハ・ボルツマン方程式を適用することができる。サハ・ボルツマン方程式では、低温プラズマ(ほとんどの実験的なプラズマに有効なもの)について、イオン化比αを次式の通り推定できる:
α2〜n0G(T)T3/2exp(−U/T)
この場合、n0は中性密度を表し、G(T)はゆっくりと変化する温度関数であり、Uは構成要素の第1イオン化エネルギーである。アブレーション深度の式とイオン化比の式を組み合わせることで、イオン量をi〜ALNαと推定できる、ここでAは焦点の面積、Nはターゲット材料密度である。したがって、高フルエンスにおけるイオン電流の高速増加は、(電子の格子による加熱後の)高温度によって生じた高いイオン化レベルに起因することが理解される。温度がイオン化エネルギーUに近い場合は、強力なプラズマを形成できる。そのため、i−Fプロットは、図1(a)の場合において約1.0J/cm2のプラズマ生成の閾値Tth2を推定するための簡単なアプローチを提供する。
dT/dt=−(3M/rρCp)eσ(T4−T0 4)
この場合、M、r、ρ、Cpは材料のモル質量、半径、熱容量を表し、又、T0は周囲温度(室温)、eは放射率、σはステファン・ボルツマン定数を表す。したがって、直径10nmのNi粒子の場合、粒子を2500℃(超高速パルスレーザアブレーションにおいて到達する典型的な温度)からその融点(1455℃)にまで冷却するのに要する時間は約0.1μsであると推定できる。このタイムスケールは、ターゲットと基板間の距離にもよるが、粒子が基板に到達するまでの時間よりも短い場合がある。しかし、液相−固相・相転移では潜熱を放出する必要がある。更に、固体化にはこれを開始するための核生成の中心部が必要であり、この中心部がないと液体が融点を下回る超低温に維持されてしまう。この核生成の中心部によって、真空中で粒子が液状のまま飛散することになりかねない。又この場合、硬い基板に衝突した液体粒子が容易に変形したり破砕してしまう可能性がある。システムにガスを供給することで、ガス分子と衝突中の飛散粒子の冷却が熱交換によって支援される。衝突によって液滴表面上への密度外乱も生じ、これにより核中心が導入される。これらの作用は、基板に到達する前のナノ粒子の固体化を助ける。
Claims (28)
- 超高速パルスレーザを使用して、ターゲット材料のレーザアブレーションを行い、ナノ粒子、メソ粒子、又はこれらの混合物を生成し基板上に堆積させる方法であって、ここでナノ粒子は20nm以下の粒子サイズを有し、メソ粒子は20nm超の粒子サイズを有し、
前記超高速パルスレーザのレーザフルエンスを、前記ターゲット材料が破壊を開始する材料破壊閾値Fth1より高く、且つ、メソスケールの液滴が飛散し始めるプラズマ形成閾値Fth2より、レーザビーム形状のすべての領域において、低い範囲内に制御し、閾値F th1 と閾値F th2 の間の範囲におけるレーザフルエンスの減少に従い、メソ粒子の密度(カウント/cm 2 )がナノ粒子の密度に比べてより急激に減少し、これによって、前記混合物中のナノ粒子とメソ粒子の相対比率を制御することを特徴とする方法。 - 前記材料破壊閾値Fth1は、前記ターゲット材料について、融除した粒子の生成効率が漸近的にゼロに近づくレーザフルエンスレベルを決定することで得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記プラズマ形成閾値Fth2は、イオンプローブによって前記レーザフルエンスの関数として収集されたイオン電流をプロットし、それ未満になるとイオン電流が消滅する、スロープ変化の明確なターニングポイントを呈しているフルエンスを確認することにより決定されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 超高速パルスレーザを使用して、ターゲット材料のレーザアブレーションを行い、ナノ粒子、メソ粒子、又はそれらの混合物を生成し基板上に堆積させる方法であって、ここでナノ粒子は20nm以下の粒子サイズを有し、メソ粒子は20nm超の粒子サイズを有し、
前記ターゲット材料からなるターゲットと前記基板を収納した真空室を用意するステップと、
前記超高速パルスレーザによって生成され、光学系によって成形され、前記ターゲット上に集束されるパルスレーザビームのレーザフルエンスを、前記ターゲット材料が破壊を開始する材料破壊閾値Fth1より高く、且つ、メソスケールの液滴が飛散し始めるプラズマ形成閾値Fth2より、レーザビーム形状のすべての領域において、低い範囲内に制御して、前記パルスレーザビームを照射し、閾値F th1 と閾値F th2 の間の範囲におけるレーザフルエンスの減少に従い、メソ粒子の密度(カウント/cm 2 )がナノ粒子の密度に比べてより急激に減少し、これによって、前記混合物中のナノ粒子とメソ粒子の相対比率を制御するステップ
とを備えることを特徴とする方法。 - 前記レーザフルエンスと粒子サイズの所定の関係に基づいて前記レーザフルエンスを制御することによって、前記粒子のサイズ分布を制御することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記超高速パルスレーザが、10fs〜50psのパルス幅を有することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記超高速パルスレーザと前記光学系により、前記ターゲットの表面にて10mJ/cm2〜10J/cm2の範囲の前記レーザフルエンスが可能になることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記光学系は、前記レーザビームの強度分布をガウス形状から頂部が平坦な形状に成形することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子は1ミクロン以下のサイズと、1ナノメータよりも大きいサイズを有し、又、20ナノメータ以下から約1ナノメータよりも上までのサイズ範囲内での前記粒子分布の比率が、前記レーザフルエンスを制御することで制御されることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 不活性又は反応性ガスであるバックグラウンドガス中で前記レーザアブレーションおよび堆積を実施するステップを更に備えることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子を生成し、堆積させるステップが、室温で実施されることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記ターゲットが、金属、合金、及び酸化金属の少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記基板が、金属、酸化金属、半導体材料又は炭素を備えることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記基板が、ガラス又はポリマー膜であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記レーザアブレーションの最中に、イオンプローブによってプラズマイオン電流を監視するステップと、
前記イオン電流を使用して、前記レーザフルエンスとプラズマイオン電流の間の所定の関係に基づき前記レーザフルエンスを間接的に監視するステップと
を更に備えることを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 前記粒子が、真空中又は不活性バックグラウンドガス中で金属ターゲットを融除して生成し、前記基板上に堆積させた金属粒子であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子が、真空中又は不活性バックグラウンドガス中で合金ターゲットを融除して生成し、前記基板上に堆積させた合金粒子であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子が、反応性バックグラウンドガス中で金属ターゲットを融除して生成し、前記基板上に堆積させた金属化合物粒子であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子が、真空中、不活性バックグラウンドガス及び反応性バックグラウンドガスのいずれかの中で酸化金属ターゲットを融除して生成し、前記基板上に堆積させた酸化金属粒子であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子が、酸素中で金属ターゲットを融除し、前記基板上に堆積させた酸化金属粒子であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子が、金属コアと酸化金属シェルを設けたコアシェル構造を有することを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 前記粒子が、反応性バックグラウンドガス中で金属ターゲットを融除して生成したコアシェル構造を有することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記粒子が、真空中又は不活性バックグラウンドガス中で金属ターゲットを融除した後に酸化処理して生成したコアシェル構造を有することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 堆積した20ナノメータ以下の粒子の質量比が、前記基板上に堆積した材料の合計堆積質量の10%以上となるように、前記フルエンスを制御するステップを更に備えることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 堆積した20ナノメータ以下の粒子の質量比が、前記基板上に堆積した材料の合計堆積質量の40%以上となるように、前記フルエンスを制御するステップを更に備えることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- ナノ粒子、メソ粒子、又はこれらの混合物を生成し、基板上に堆積させる装置であって、ここでナノ粒子は20nm以下の粒子サイズを有し、メソ粒子は20nm超の粒子サイズを有し、
ターゲットと前記基板を収納する真空室と、
超短レーザパルスを生成する超高速パルスレーザと、
レーザフルエンスを、前記ターゲットの材料が破壊を開始する材料破壊閾値Fth1より高く、且つ、メソスケールの液滴が飛散し始めるプラズマ形成閾値Fth2より、レーザビーム形状のすべての領域において、低い範囲内に制御して、前記超短レーザパルスのレーザビームを前記ターゲット上に集束させ、閾値F th1 と閾値F th2 の間の範囲におけるレーザフルエンスの減少に従い、メソ粒子の密度(カウント/cm 2 )がナノ粒子の密度に比べてより急激に減少し、これによって、前記混合物中のナノ粒子とメソ粒子の相対比率を制御する光学系
とを有することを特徴とする装置。 - 制御可能な質量比を有し、20ナノメータ以下のサイズのナノ粒子の基板上への堆積方法であって、
レーザフルエンスを、ターゲットの材料が破壊を開始する材料破壊閾値Fth1より高く、且つ、メソスケールの液滴が飛散し始めるプラズマ形成閾値Fth2より、レーザビーム形状のすべての領域において、低い範囲内に制御して、レーザビームを前記ターゲット上に集束させ、閾値F th1 と閾値F th2 の間の範囲におけるレーザフルエンスの減少に従い、20nm超の粒子サイズを有するメソ粒子の密度(カウント/cm 2 )がナノ粒子の密度に比べてより急激に減少し、これによって、前記ナノ粒子の質量比が前記基板上に堆積した材料の合計堆積質量の10%以上となるように混合物中のナノ粒子とメソ粒子の相対比率を制御することを特徴とする堆積方法。 - 前記質量比が、前記合計堆積質量の40%以上であることを特徴とする請求項27に記載の堆積方法。
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