【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.20】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24HK0004
利用課題名 / Title
ZnO粒子膜ランダム構造の電気駆動発光特性評価
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学 / Hokkaido Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
光デバイス/ Optical Device,電子顕微鏡/ Electronic microscope,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,フォトニクス/ Photonics,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
藤原 英樹
所属名 / Affiliation
北海学園大学工学部
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
松尾保孝,森有子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
水熱合成法を用いた電気駆動ランダムレーザーの実現を目指した研究を行った。今年度は、レーザーによる局所加熱を利用した水熱合成により、金薄膜コート基板上に選択的にZnOナノロッドアレイ構造を作製し、そのレーザー発振特性の制御とその評価を行った。その結果、構造内に意図的に設けたナノロッドの無い欠陥領域において、低しきい値かつ少数モードのレーザー発振が誘起されることを示した。
実験 / Experimental
前駆体溶液として硝酸亜鉛六水和物およびヘキサメチレンテトラミン水溶液（濃度100 mM）を等量混ぜたものを用意した。基板の光加熱のため、ガラス基板に金薄膜を50 nmコートしたものを用意し、ナノロッドアレイ構造中に欠陥領域を意図的に作製するため、この金薄膜コート基板を倒立型顕微鏡ステージ上に配置し、前駆体溶液を滴下した後、対物レンズ（4倍）を用いてガラス側から波長405 nmのレーザー（110 mW）を10分間照射することでZnOナノロッドアレイ構造を作製した。その後、この基板を超純水で洗浄・乾燥した後、顕微分光測定を行った。ZnOナノロッドアレイ構造の状態を調べるため、北大電子研の電子顕微鏡で表面の観察を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
紫外パルスレーザー（355 nm, 1 kHz, 300ps）を構造に照射し、発光スペクトルを測定した結果、欠陥領域の有無に関わらず、ランダムレーザー発振が誘起されることを確認し、今回の合成条件により、高品質な酸化亜鉛が合成されていることを確認した。また、欠陥領域の有無によるレーザー発振特性の違いを確認したところ、欠陥領域部分では、波長380 nmの短波長側で少数のモードのレーザー発振ピークが現れ、欠陥以外の部分においては、自然放出発酵ピークの波長390 nm付近に密に発振ピークが現れることを確認した。一般的なランダムレーザーでは、発振波長が利得スペクトルのピーク付近となり、共振器の効果はあまり現れないのに対し、今回の結果では、自然放出ピークよりもずっと短波長側に少数の発振ピークが現れる。このことから、周辺のZnOナノロッドによる多重散乱光が欠陥領域において定在波を形成し、レーザー発振特性を決定していると考えられ、意図的な欠陥領域の導入により、ランダムレーザーを制御可能であることを示した。今後は、この構造に透明電極を配置し、電気駆動による発光の確認を進める予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 試料作製法の概念図．
図2 ZnOナノロッドアレイ構造の電子顕微鏡画像．
図3 ZnOナノロッドアレイ構造の発光スペクトルの励起光強度依存性．(a)欠陥領域、(b)欠陥領域以外のそれぞれの場所で測定した結果．
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Quan Shi, Lithography-Free Nanofabrication on Various Semiconductors by the Codeposition Etching Technique, Langmuir, 40, 12437-12442(2024).
DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c00686
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 藤原英樹 ”電気駆動化に向けたランダムレーザー作製手法の開発” 「材料表面・内部加工とその応用」ワークショップ（岐阜）令和6年12月16日
- 上原日和、Quan Shi、大野哲靖、田中宏彦、安原亮、藤原英樹、梶田信 ”アルゴンプラズマ・堆積エッチングによる化合物半導体の表面改質” 第41回 プラズマ・核融合学会年会（東京）令和6年11月17日
- 藤原英樹、菅浩輔、橋本和樹 ”FTO透明電極基板を用いた水熱合成ZnO粒子膜の電気駆動発光” 第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟）令和6年9月16日
- Hideki Fujiwara, Christophe Pin, Hideo Kaiju, Kenji Hirai, and Hiroshi Uji-i "Selective synthesis of conductive graphitic nanomaterials using local laser-heating The Chitose International Forum (CIF24)" Chitose Institute of Science and Technology（千歳）令和6年9月3日
- Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Keiji Sasaki "Fabrication of VO2 micro/nanostructures by laser-induced hydrothermal synthesis" The Chitose International Forum (CIF24), Chitose Institute of Science and Technology（千歳）令和6年9月4日
- Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Keiji Sasaki "Fabrication of vanadium dioxide micro- and nanostructures by laser-induced hydrothermal synthesis" The 14th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics（富山） 令和6年7月17日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件