千葉大ら,光渦でシリコンニードルを作製

千葉大学と北海道大学のグループは,JST戦略的創造研究推進事業の一環として,「螺旋波面とドーナツ型(空孔を持つ)の強度分布を持つレーザー光(光渦)をシリコン単結晶に照射すると単結晶性のシリコンニードルができる」という新奇物理現象を世界で初めて発見し,その形成過程の可視化に成功した(ニュースリリース)。

シリコン単結晶は,現在最も普及している電子材料の1つとして知られている。また,ナノ微細加工を施すことでシリコンの潜在能力は飛躍的に向上する。しかしながら,レーザーによる従来のシリコン表面加工では,表面が多結晶性あるいはアモルファスになることが多く単結晶性のまま表面に微細構造を施すことは極めて困難だった。

「螺旋波面とドーナツ型(空孔を持つ)の強度分布を持つレーザー光(光渦)をシリコン単結晶基板に照射すると,光渦の持つ特異な輻射力の効果で単結晶性のシリコンニードルが基板上にできる」という新現象を世界で初めて発見した。また,ニードルの高さは40㎛を超えることも発見した。

実験には,近赤外の光渦(波長1μm,パルス幅20ps,エネルギー0.2mJ-1.6mJ)を用いた。使用した試料は単結晶シリコン基板。基板にできたシリコンニードルは,電子顕微鏡を用いて観察した。また,電子線回折法とラマン分光法によって,できあがったシリコンニードルが単結晶であることを明らかにした。

さらに,ニードルができるまでのプロセスを超高速度カメラで捉え可視化することにも成功した。光渦照射後,融解したシリコンが光渦の輻射力によって空孔に集められてシリコン基板に堆積することでニードルができあがる。光渦照射後からニードルができるまでの時間は,照射したレーザーのパルス幅(20ピコ秒=20×10-12秒)よりはるかに長い1-2マイクロ秒(10-6秒)だった。

この長いプロセス時間がニードルを単結晶化する要因になる。ニードルができる過程で余剰となったシリコンは光渦の輻射力の効果と表面張力波の効果によって粒径1-2㎛の液滴として「針の孔」を通すように直線的に指向性良く飛翔する。通常のレーザー照射では,このような指向性の良い液滴の飛翔運動は決して起こらない。

光渦の輻射力によって結晶性を変えずにシリコンのミクロな構造が制御できるこの成果は,光マニピュレーションをはじめとする光科学に多大なインパクトを与えるもの。また,光の輻射力を用いた新しい表面加工技術の提案でもある。したがって,将来的にはシリコンフォトニクスをはじめ様々な波及効果が期待できるという。

例えば,モスアイ構造に変わるシリコン表面加工技術,人体アレルギー性の低いシリコン単結晶無痛針など,先端テクノロジーを支える機能性デバイスが光を照射するだけで創成できる。また,光渦の輻射力を使うとシリコンの液滴を「針の孔」を通すように直線飛翔させることができるが,この技術は磁性体をはじめとする様々な機能性材料にも応用可能。微細な液滴を任意の場所に三次元的に飛翔させて構造体を創る,いわゆるプリンタブルエレクトロニクスの新しい技術としても極めて高いインパクトがあるとしている。

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