千葉大ら,光渦で構造色のマイクロリングを印刷

千葉大学,北海道大学,大阪市立大学,大阪大学は,誘電体(絶縁体)のナノ微粒子が分散して存在する液膜に光渦を照射することで,青から青緑の構造色を示すフォトニック構造のマイクロリングを印刷することに成功した。さらに,金属のナノ微粒子が分散する液膜に光渦を照射することにより,単一の金属ナノ粒子を高精度(高解像度)で印刷できることも示した(ニュースリリース)。

プリンタブルエレクトロニクス技術に注目が集まっている。

中でもレーザー誘起前方転写法 (Laser-induced forward-transfer: LIFT)は,単一レーザーパルスを液膜に照射して印刷したい物質(ドナー物質)を吐出させて転写するという印刷技術。

ノズルを使うノズルジェット印刷とは異なり,高濃度で高粘度なドナー物質でもノズルの目詰まりの心配がなく印刷できるため,次世代プリンタブルエレクトロニクスの印刷手法として期待されている。

しかし,LIFTは印刷できるドットの形状やドット内のドナー物質の空間分布を制御することは原理的に不可能。これらの課題を克服するため,光渦レーザー誘起前方転写法(光渦LIFT)を考案した。

研究では,誘電体ナノ微粒子分散液膜にナノ秒光渦パルスを照射することで,青から青緑の構造色を示す円環のマイクロリングの直接印刷に成功した。この構造色は誘電体ナノ微粒子の三次元最密充填効果による。

一方,従来のガウシアンビームを用いたLIFTで転写されたドットは,いびつでドット中にナノ微粒子が不均一に分布している。このことは,光渦の軌道角運動量が液膜に作用して液滴が自転運動することで,真球に近い液滴が吐出されること,液滴中の誘電体ナノ微粒子が円環状に配列することを意味するという。

さらに,金ナノ微粒子分散液に光渦LIFTを適用すると,光渦の位相特異点(光の暗点)に捕捉された単一金ナノ微粒子がナノコアとして印刷されることがわかった。光を使いながら単一金属ナノ微粒子をサブマイクロンスケールの空間分解能で所望の位置に印刷できる画期的な技術だとする。

光渦LIFTが創るマイクロリングやナノコアは,マイクロリングレーザー,プラズモニックナノアンテナといった次世代の光通信やバイオセンサーなどのデバイス開発への展開が期待されるという。

研究グループはさらに,将来的には,光渦を照射するだけで,複数のナノ微粒子が混合した溶液から誘電体ナノ粒子や金属ナノ粒子だけを選択的に空間分離して抽出できる(物質の誘電特性を識別できる)「光渦ナノ粒子ソーティング」への応用も可能だとしている。

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