JP4097462B2 - Method for supporting fine particles on substrate, substrate on which fine particles are supported by the method, optical element and circuit element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粒子を基材内部に導入して担持させる方法、および該方法により微粒子が担持された基材並びに光学素子及び回路素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近の電子工業分野での技術開発は目覚ましく、新機能を有する製品が続々と発表されている。これに伴い、電子機器の部品素材においても各種機能を有するものが開発され、近年、プラスチック構造体(部品)の表面や内部を高機能化する要求が高まってきている。このような高機能化の要求に対して、プラスチック構造体自身をプラスチックロイ化又は複合化する材料面での技術対応と、要求に合わせて機能部位を組み込んだり、構造の制御を行ったりする加工面での技術対応との2つの面での取り組みが行われている。例えば、プラスチック構造体の表面の高機能化・高性能化では、表面の化学的、電気的、光学的、物理的等の特性の改良・改質を目的に、材料、加工両面から色々と技術的な取り組みがなされている。また、プラスチック構造体の内部(バルク)の高機能化・高性能化では、電気や光の伝導性、光の透過性又は遮断性、水分やガスの透過性又は遮断性、熱・光・応力等の外部刺激に対する応答性又は記憶性などの様々な特性の要求に対応して、材料・加工面の両面から種々の技術的な取り組みがなされている。
【0003】
そこで、例えば、基材の表面に異なる機能(新たな機能等)を付与するには、この表面側から直接に化学的、電気的、光学的、物理的等エッチングを行ったり、レジストを塗布し、現像し、同様なエッチングを行ったりするなどの形成方法が用いられている。
【0004】
一方、レーザー光源に対する技術進歩は著しく、特に、パルスレーザーでは、ナノ秒(10-9秒)のオーダーのパルス幅から、ピコ秒(10-12秒)のオーダーのパルス幅へと超短パルス化が進んでおり、更に最近では、チタン・サファイア結晶などをレーザー媒質とするフェムト秒(10-15秒)のオーダーのパルス幅を有するパルスレーザーなども開発されてきている。パルス幅が10-12秒以下である(例えば、パルス幅がフェムト秒のオーダーである)超短パルスレーザー又はそのシステムは、通常のレーザーが持つ、指向性、空間的・時間的なコヒーレントなどの特徴を有するとともに、パルス幅が極めて狭いことから、同じ平均出力であっても、単位時間・単位空間当たりの電場強度が極めて高いという特徴を有している。そのため、この高い電場強度を利用して、超短パルスレーザーを物質中に照射して新たな構造(誘起構造)を形成させる試みが、無機ガラス材料を主な対象物として行われてきている。
【0005】
一方で、高分子材料は、熱伝導性が低いという特徴を有しており、蓄熱し易い傾向がある。すなわち、高分子材料は熱運動が無機ガラス材料に比べて容易に起こり、運動や反応に必要な熱量が少なくて済むので、無機ガラス材料に比べて、比較的低い照射エネルギーでも構造が変化したり、アブレーション(ablation;爆発的飛散現象)が生じる。しかし、パルス幅が10-12秒以下である(例えば、パルス幅がフェムト秒のオーダーである)超短パルスレーザーの単位時間・単位空間当たりの電場強度が極めて高いため、レーザーの照射による高分子材料の損傷が起こりやすいことにより、高分子材料の誘起構造の形成に必要な高分子材料の設計についての把握が困難であり、その結果として、高分子材料であるプラスチック構造体に関して、超短パルスレーザーの照射による誘起構造形成の検討は、現在まで、無機ガラス材料ほどには行われていなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、基材表面に異なる機能を付与するには、付与するための表面側から全面的にエッチングを行ったり、部分的に付与するにはレジストを塗布し、現像し、エッチングを行ったりするなどの形成方法が用いられているので、作業性が低かった。さらに、プラスチックに微粒子を担持させるには、プラスチックと微粒子とを混合した後、フィルム化し、その後、前述のようにレジスト塗布、エッチングにより微細加工を行う必要があった。また、予めプラスチックと微粒子とを混合する際の分散の可否や良好さについては、プラスチックと微粒子またはその分散媒との親和性による制限があった。そのため、容易に且つ優れた作業性で基材表面に異なる機能を付与する方法が求められている。
【0007】
従って、本発明の目的は、基材内に、容易に且つ優れた作業性で、微粒子を担持させることができる基材への微粒子の担持方法および該方法により微粒子が担持された基材を提供することにある。
本発明の他の目的は、優れた機能を有し、且つ容易に且つ優れた作業性で作製できる光学素子及び回路素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意検討した結果、微粒子層をプラスチック系基材上に形成した後、パルス幅が10-12秒以下のレーザーを微粒子層側の表面から照射すると、プラスチック系基材の内部に微粒子が担持されることを見出した。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
【0009】
すなわち、本発明は、基材に微粒子を担持させる方法であって、下記の工程(A)〜(B)を具備することを特徴とする基材への微粒子の担持方法である。
工程(A):基材上に、微粒子の層を形成する工程
工程(B):微粒子層側からの集光されたパルス幅が10 -12 秒以下のレーザーの照射により、基材内に微粒子を導入する工程
【0010】
さらに、工程(B)の後工程として、下記の工程(C)を具備していることが好ましい。
工程(C):残存している微粒子層を除去する工程
【0011】
前記基材としては、プラスチック系基材を好適に用いることができる。微粒子としては、無機微粒子が好ましく、前記無機微粒子は、金、銀、銅、白金およびチタンから選択された少なくとも1種の金属原子、またはケイ素原子を含有していてもよい。
【0013】
また、本発明は、前記基材への微粒子の担持方法により微粒子が担持された基材が構成要素として用いられている光学素子を提供する。
【0014】
【発明の実施の態様】
以下に、本発明を必要に応じて図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の部材については、同一の符号を付している場合がある。
[基材への微粒子の担持方法]
本発明の基材への微粒子の担持方法は、基材に微粒子を担持させる際に、基材上に微粒子の層(微粒子層)を形成し、該微粒子層側からレーザーを照射することにより、基材内に微粒子を外部から導入していることを特徴としている。具体的には、下記の工程(A)〜(B)を具備しており、必要に応じて、さらに、工程(B)の後工程として、下記の工程(C)を具備している。
工程(A):基材上に、微粒子の層を形成する工程
工程(B):微粒子層側からの集光されたレーザーの照射により、基材内に微粒子を導入する工程
工程(C):残存している微粒子層を除去する工程
【0015】
(工程(A))
工程(A)では、基材上に、微粒子層を形成している。微粒子層を形成する基材の面は、基材の1つの面であってもよく、複数の面であってもよい。また、基材の1つの面に対して、微粒子層は、少なくとも部分的に形成することができ、したがって、全面的に形成してもよく、または、必要部位のみに部分的に形成してもよい。
【0016】
(基材)
基材としては、有機系基材、無機系基材のいずれであってもよい。基材としては、各種高分子材料からなるプラスチック系基材を用いることができる。基材は、単層または積層のいずれの形態を有していてもよい。前記プラスチック系基材を構成する高分子材料には、有機系高分子や無機系高分子などの各種ポリマー成分が含まれる。高分子材料は単独で又は2種以上組み合わせられていてもよい。前記有機系高分子としては、特に制限されず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂など種々の有機系の樹脂を用いることができ、熱可塑性樹脂が好ましく、なかでも2つ以上のガラス転移温度(ガラス転移点)を有する熱可塑性樹脂材料が好適である。
【0017】
有機系高分子としては、例えば、ポリイソプレンやポリブタジエンなどのポリジエン類;ポリイソブチレンなどのポリアルケン類;ポリアクリル酸ブチル、ポリアクリル酸エチルなどのポリアクリル酸エステル類;ポリブトオキシメチレンなどのポリビニルエステル類;ポリウレタン類;ポリシロキサン類;ポリサルファイド類;ポリフォスファゼン類;ポリトリアジン類;ポリカーボラン類;ポリカーボネート(PC);ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのメタクリレート系樹脂;ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル系樹脂;ポリエーテルスルホン(PES)(ポリエーテルサルホン);ポリノルボルネン;エポキシ系樹脂;ポリアリール;ポリイミド;ポリエーテルイミド(PEI);ポリアミドイミド;ポリエステルイミド;ポリアミド;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)などのスチレン系樹脂;ポリフェニレンエーテルなどのポリアリーレンエーテル;ポリアリレート;ポリアセタール;ポリフェニレンスルフィド;ポリスルホン(ポリサルホン);ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルケトンケトンなどのポリエーテルケトン類;ポリビニルアルコール;ポリビニルピロリドン;フッ化ビニリデン系樹脂、ヘキサフルオロプロピレン系樹脂、ヘキサフルオロアセトン系樹脂などのフッ素系樹脂などが挙げられる。
【0018】
(微粒子)
微粒子としては、微粒子状を有するものであれば特に制限されず、種々の材料(又は素材)からなる微粒子を用いることができ、例えば、無機微粒子、有機微粒子などが挙げられる。微粒子は単独で又は2種以上組み合わせて使用することができる。微粒子としては、無機微粒子を好適に用いることができる。
【0019】
無機微粒子としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等の周期表1族元素;マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等の周期表2族元素;スカンジウム、イットリウム、ランタノイド元素(ランタン、セリウムなど)、アクチノイド元素(アクチニウムなど)等の周期表3族元素;チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の周期表4族元素;バナジウム、ニオブ、タンタル等の周期表5族元素;クロム、モリブデン、タングステン等の周期表6族元素;マンガン、テクネチウム、レニウム等の周期表7族元素;鉄、ルテニウム、オスミウム等の周期表8族元素;コバルト、ロジウム、イリジウム等の周期表9族元素;ニッケル、パラジウム、白金等の周期表10族元素;銅、銀、金等の周期表11族元素;亜鉛、カドミウム、水銀等の周期表12族元素;ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム等の周期表13族元素;ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛等の周期表14族元素;アンチモン、ビスマス等の周期表15族元素などの無機系原子(無機系元素)を含む粒子状の無機化合物が挙げられる。該無機化合物は、1種又は2種以上の無機系原子を含有していてもよい。
【0020】
無機微粒子としては、微粒子状の形態を有する限り、無機系元素単体からなっていてもよく、無機系元素の酸化物(複合酸化物を含む)、水酸化物、ハロゲン化物(塩化物など)、オキソ酸塩(硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、炭酸塩など)などであってもよい。
【0021】
無機微粒子としては、金、銀、銅、白金およびチタンから選択された少なくとも1種の金属原子、またはケイ素原子を含有していることが好ましい。すなわち、無機微粒子としては、各種金属原子を含有する金属微粒子や、ケイ素原子を含有するケイ素微粒子を好適に用いることができる。
【0022】
金属微粒子の材料(又は素材)としては、各種金属原子を含有する金属系化合物を用いることができる。金属微粒子に係る金属原子には、チタン、ジルコニウム、白金、銅、銀、金、アルミニウムなどが含まれる。金属微粒子としては、金、銀、銅、白金およびチタンから選択された少なくとも1種の金属原子を含有しているものが好ましい。特に、金や白金は酸化されにくく、安定であるので、金属微粒子の金属原子として最適である。
【0023】
また、ケイ素微粒子の材料(又は素材)としては、ケイ素原子を含有する各種のケイ素系化合物を用いることができる。
【0024】
なお、有機微粒子の材料(又は素材)としては、前記基材の項で例示の有機系高分子が挙げられる。また、有機微粒子として、前記無機系元素の有機酸塩(酢酸塩、プロピオン酸塩、ステアリン酸塩など)、錯体などの有機系化合物を用いることもできる。
【0025】
微粒子の粒径(平均粒子径)としては、例えば、300μm以下(好ましくは5nm〜100μm、さらに好ましくは10nm〜1,000nm)であることが望ましい。
【0026】
微粒子の表面には、各種の表面処理が施されていてもよい。微粒子に表面処理を施すことにより、例えば、溶媒中におけるコロイド粒子としての安定性を高めることができる。
【0027】
微粒子層の形成方法としては、特に制限されず、微粒子分散液(例えば、微粒子のコロイド状の液など)を塗布して乾燥する方法が簡便であるため好ましいが、微粒子の素材に応じて、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等のドライプロセスや、熱分解法やゾル−ゲル法等のウェットプロセスなどを用いてもよい。
【0028】
微粒子層の厚みとしては、例えば、0.01〜50μm(好ましくは0.05〜30μm、さらに好ましくは0.1〜10μm)程度の範囲から選択することができる。微粒子層は、薄層であることが好ましい。微粒子層の厚みが、0.01μm未満であると、平面的に連続した微粒子層が得られにくくなり、50μmを越えると、微粒子層にクラックが発生するなどの問題が生じる場合がある。
【0029】
なお、微粒子層は、その上面は平面であることが好ましいが、凹凸形状であってもよい。また、上面の大きさ(面積)も特に制限されない。
【0030】
また、微粒子層は、単層および多層のいずれの構造を有していてもよい。さらにまた、微粒子層には、必要に応じて他の材料や添加剤などが含まれていてもよい。
【0031】
(工程(B))
工程(B)では、基材上に設けられた微粒子層側(微粒子層上面)から、所定部位に集光されたレーザーを照射して、基材内に微粒子を導入している。したがって、微粒子を基材内部に担持させることができる。
【0032】
(集光されたレーザー)
本発明では、集光されたレーザー(「集光レーザー」と称する場合がある)を用いていることが重要である。集光レーザーを基材上の微粒子層の外部から照射することにより、集光レーザーが照射された照射部及びその周辺部において、微粒子が基材内に侵入し、基材の集光レーザーが照射された照射部及びその周辺部の構造を変化させることができ、微細な構造変化部(誘起構造部)を形成することができる。例えば、照射するレーザーの波長を800nmとすると、集光していないレーザーを照射した際には、基材にも、微粒子層にも何の変化も生じないが、集光レーザーを照射すると、多光子の吸収(例えば、2光子の吸収、3光子の吸収、4光子の吸収、5光子の吸収など)が生じて、基材や微粒子層に誘起構造を形成することが可能となる。具体的には、集光レーザー照射後に、基材の誘起構造部を観察したところ、基材内部に、凝集の解かれた微粒子が潜り込んでいることが確認された。これは、集光レーザーの照射部において発生する衝撃による微粒子の分散や、該分散による基材内部への微粒子の押し込み、さらには、基材(特に、プラスチック系基材)の熱運動による基材内部への微粒子の取り込みなどにより、生じていると考えられる。なお、このような多光子吸収の起こる確率は、光の強度に比例して増加し、また、強度が強くなる程、多光子の吸収が起こりやすくなる。
【0033】
特に本発明では、レーザー光の強度やその集光の程度を適宜調整することにより、基材内部(特に、プラスチック系基材内部)への微粒子の担持の程度(量、密度、深さなど)を調整することができる。
【0034】
このようなレーザーとしては、1×10-12秒以下(1×10-12秒〜1×10-15秒)のレーザー(「超短パルスレーザー」と称する場合がある)が特に好ましい。パルス幅が小さいものほど、容易に高い光強度が得られる点で好ましい。また、より一層微細な誘起構造部を形成することも可能となる。このような超短パルスレーザーは、例えば、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得ることができる。
【0035】
レーザー(特に、超短パルスレーザー)において、その波長としては、例えば、可視光の波長領域(例えば、400〜800nm)であることが好ましい。また、その繰り返しとしては、例えば、1Hz〜80MHzの範囲から選択することができ、通常、10Hz〜500kHz程度である。
【0036】
なお、レーザー(特に、超短パルスレーザー)の平均出力又は照射エネルギーとしては、特に制限されず、目的とする構造変化部の大きさや構造の変化の程度等に応じて適宜選択することができ、例えば、500mW以下(例えば、1〜500mW)、好ましくは5〜300mW、さらに好ましくは10〜100mW程度の範囲から選択することができる。このように、本発明では、レーザー(特に、超短パルスレーザー)の照射エネルギーは低くてもよい。
【0037】
レーザーを集光させる方法としては、特に制限されず、例えば、集光レンズを用いる方法を好適に採用することができる。このような集光レンズとしては、特に制限されず、基材の材質、微粒子の材質、目的とする構造変化部(微粒子担持部)の大きさや構造の変化の程度(微粒子の担持の程度)などに応じて適宜選択することができる。
【0038】
集光レーザーの照射スポット径としては、特に制限されず、目的とする構造変化部の大きさや構造の変化の程度、集光レンズの大きさや開口数又は倍率などに応じて適宜選択することができ、例えば、1.0〜50μm(好ましくは10〜30μm)程度の範囲から選択することができる。
【0039】
(照射方法)
集光レーザーの照射方法としては、特に制限されず、例えば、任意の部位(又は箇所)の一点のみに又は一点毎に照射したり、焦点の位置を移動させながらライン状に照射したりする方法を採用することができる。集光レーザーの焦点位置を移動させながら、集光レーザーを照射する際のライン状としては、特に制限されず、任意のライン状であってもよく、例えば、直線状や曲線状などが挙げられる。また、集光レーザーの焦点位置は、連続的又は間欠的に移動させることもできる。なお、集光レーザーをコンピュータ制御して照射することにより、どんな複雑なライン状であっても、集光レーザーの焦点位置を移動させながら照射することが可能である。
【0040】
図1は本発明の集光レーザーの照射方法の一例を示す概略鳥瞰図である。図1において、1は微粒子担持部を有する微粒子層付き基材(「微粒子担持微粒子層付基材」と称する場合がある)、2は微粒子の層(微粒子層)、21は微粒子層2中の照射部(構造変化部)、22は微粒子層2中の未照射部、3は基材、41は基材3中の微粒子担持部(構造変化部)、42は基材3中の微粒子未担持部(構造未変化部)である。また、51はパルス幅が10-12秒以下である超短パルスレーザー(単に「レーザー」と称する場合がある)、52は集光レンズであり、5は集光レーザーである。微粒子担持微粒子層付基材1は、上面に微粒子層2が形成された基材から作製されている。微粒子層2中の照射部(構造変化部)21や、基材3中の微粒子担持部41は、集光レーザー5の照射による影響を受けて構造が変化した部位(構造変化部)であり、また、微粒子層2中の未照射部22や、基材3中の微粒子未担持部42は、集光レーザー5の照射による影響を受けておらず、元の膜の状態を保持している部位(構造未変化部)である。
【0041】
微粒子層2は、基材3上に形成されており、該微粒子層2の上面は、平面であり、X−Y平面に対して平行、又はZ軸に対して垂直となっている。
【0042】
この微粒子層2の所定部位に、集光レーザー5を焦点を合わせて照射している。なお、集光レーザー5は、集光レンズ52によりレーザー51が集光されたレーザーである。
【0043】
6aは集光レーザー5の照射をし始めたときの焦点を合わせた最初の位置又はその中心位置(「照射開始位置」と称する場合がある)、6bは集光レーザー5の照射を終えたときの焦点を合わせた最終の位置又はその中心位置(「照射終了位置」と称する場合がある)、6cは集光レーザー5の照射の焦点又はその中心位置(単に「焦点位置」と称する場合がある)が照射開始位置6aから照射終了位置6bに移動する移動方向である。6は集光レーザー5の照射の焦点位置又は焦点の中心位置が移動した軌跡(「焦点位置軌跡」と称する場合がある)である。すなわち、図1では、集光レーザー5の焦点位置を、照射開始位置6aから照射終了位置6bにかけて、焦点位置の移動方向6cの方向で、連続的に直線的に移動させており、該移動した焦点位置の軌跡が焦点位置軌跡6である。
【0044】
具体的には、微粒子層2に集光レーザー5を照射すると、前記集光レーザー5の焦点位置軌跡6上の各焦点位置及びその周辺部(近辺部)における構造が変化し(例えば、密度が変化し)、この部分的な構造の変化により、微粒子担持微粒子層付基材1は、ライン状の構造変化部(21,41)と、元の状態の未照射部22および構造未変化部42とを有している。すなわち、微粒子層2に集光レーザー5を照射することにより、基材3中に、微粒子が導入されて担持された構造変化部41を形成することができるとともに、微粒子層2中にも構造変化部21が形成されている。なお、構造変化部41は、構造変化部21の真下に且つ構造変化部21と接触した形態で形成されている。また、構造変化部41と、構造変化部21とは、通常、異なる種類に属する構造の変化である。
【0045】
また、集光レーザー5の照射に際して、その焦点の位置を連続的に移動させているので、微粒子層2や基材3に、構造が変化している部位も焦点位置の移動に応じて連続的に移動して、移動方向に延びて変化した部位からなる構造変化部(21,41)が形成されている。図1に示すように、集光レーザー5の焦点位置を、移動方向6の方向に、照射開始位置6aから照射終了位置6bに移動させた場合、移動方向6cの方向に沿って形成された構造変化部(21,41)を形成することができる。従って、構造変化部(21,41)の長手方向は、移動方向6cの方向である。
【0046】
集光レーザー5の焦点位置を移動させる速度(移動速度)は、特に制限されず、微粒子層2や基材3の材質、集光レーザー5の照射エネルギーの大きさ等に応じて適宜選択することができる。なお、前記移動速度をコントロールすることにより、構造変化部(21,41)の大きさ等をコントロールすることも可能である。
【0047】
なお、集光レーザー5の焦点位置の移動は、レーザー51及び集光レンズ52と、微粒子層2及び基材3との相対位置を動かせることにより、例えば、レーザー51及び集光レンズ52、及び/又は微粒子層2及び基材3を移動させることにより、行うことができる。具体的には、例えば、2次元又は3次元の方向に精密に動かすことができるステージ上に、微粒子層2が形成されている基材3(照射サンプル)を設置し、レーザー発生装置及び集光レンズを前記微粒子層2に対して焦点が合うよう(任意の部位でよい)に固定し、前記ステージを動かせて焦点位置を移動させることにより、微粒子層2や基材3の任意の部位に構造変化部を作製することができる。
【0048】
このように、微粒子担持微粒子層付基材1は、集光レーザー(特に、パルス幅が10-12秒以下の超短パルスレーザーが集光されたレーザー)を照射して、必要に応じて前記焦点位置を移動させるという簡単な操作により、基材3の任意の部位に、微粒子が担持されて構造が変化した部位(構造変化部または微粒子担持部)を形成して作製することができる。
【0049】
なお、図1では、集光レーザー5の焦点位置を移動させることにより、構造変化部(21,41)が移動方向に連続的に形成されており、焦点位置の移動方向が長手方向となっている。従って、長手方向における構造変化部(21,41)の長さは、例えば、集光レーザー5の焦点位置を移動させた移動距離に対応させて、調整することができる。例えば、集光レーザー5の焦点位置を直線的に移動させた場合、構造変化部(21,41)の焦点移動方向における長さとしては、集光レーザー5の焦点位置を移動させた移動距離と同等又はほぼ同等にすることができる。
【0050】
構造変化部(21,41)の大きさとしては、特に制限されず、それぞれ、直径又は1辺の長さが1mm以下(好ましくは500μm以下)の極めて小さなものであっても、精密に制御して形成することができる。特に、レーザーとして超短パルスレーザーを用いることにより、構造変化部(特に、基材中の微粒子担持部)をより一層精密に制御することが可能となる。
【0051】
本発明では、1つの微粒子担持微粒子層付基材1において、基材3中の構造変化部(微粒子担持部)の数は、特に制限されず、単数であってもよく、複数であってもよい。構造変化部が複数設けられている場合、適度な間隔を隔てて形成することができる。この構造変化部間の間隔は、任意に選択することができる。前記構造変化部間の間隔は、例えば、3μm以上であることが好ましい。構造変化部間の間隔が3μm未満であると、構造変化部の作製時に構造変化部同士が融合して、独立した複数の構造変化部とすることができない場合がある。
【0052】
なお、構造変化部の大きさ、形状、構造の変化の程度などは、集光レーザーの照射時間、集光レーザーの焦点位置の移動方向やその速度、基材の材質の種類、微粒子の材質の種類、レーザーのパルス幅の大きさや照射エネルギーの大きさ、集光レンズの開口数や倍率などにより適宜調整することができる。
【0053】
基材3中の構造変化部41は、微粒子を担持していればよく、該微粒子の担持以外についても、構造が変化していてもよい。構造変化部41において、微粒子が担持されている状態は、どのような状態であってもよい。微粒子の担持状態としては、例えば、分散状態、凝集状態、連結状態や、これらが組み合わされた状態などが挙げられる。
【0054】
なお、基材3中の構造未変化部42は、レーザー照射による影響を受けていない部位であり、レーザーが照射されていない部位(未照射部)や、微粒子層2が上面に形成されていない部位(レーザーは照射されていてもよく、照射されていなくてもよい)が含まれる。
【0055】
このように、本発明の基材への微粒子の担持方法によれば、予め、基材中に微粒子を含有させていなくても、基材表面から内部にかけて、微粒子を導入して担持させることができる。しかも、微粒子を担持している基材中の微粒子担持部は、極めて微細に制御よく形成することができる。また、基材上に微粒子層を形成した後、集光レーザーを照射するという方法であるので、容易に且つ優れた作業性で、微粒子を基材に担持させることができる。
【0056】
(工程(C))
工程(C)では、基材中に移行せずに、基材上に残存している微粒子の層を基材から除去している。このように、微粒子層を除去することにより、表面部位に微粒子担持部(構造変化部)を有する基材が作製される。なお、該工程(C)は必要に応じて行うことができる。工程(C)は、工程(B)の後工程として採用することができる。
【0057】
微粒子層を除去させる際には、例えば、洗浄による除去方法や、エッチング液によるエッチング方法などを利用することができる。例えば、微粒子層が、金属微粒子の層である場合、エッチング液として酸性水溶液(例えば、塩酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、シュウ酸水溶液、フッ化水素酸などの無機酸の水溶液等)を用いて、エッチングすることにより、除去することができる。このときのエッチング方法としては、特に制限されず、例えば、エッチング液中に、微粒子層を有する基材の全体又は微粒子層のみを浸漬させる方法などが挙げられる。
【0058】
[微粒子が担持された基材]
本発明の微粒子が担持された基材は、前述の基材への微粒子の担持方法により、すなわち、基材上に、微粒子層を形成し、該微粒子層に又は微粒子層を介して基材に集光レーザーを照射して、基材中に微粒子を導入して担持させ、さらに必要に応じて基材上に残存している微粒子層を除去することにより作製することができる。
【0059】
基材上の微粒子層に、集光レーザーの照射を行うと、集光レーザーの照射部において、微粒子層の構造の変化により、微粒子層に構造変化部(誘起構造部)が形成されるとともに、基材中への微粒子層の微粒子の導入により、前記微粒子層の構造変化部の真下に、微粒子が担持された構造変化部(誘起構造部)が形成されて、図2に示されるように、微粒子が担持された微粒子層付き基材(微粒子担持微粒子層付基材)が作製される。図2は、微粒子担持微粒子層付基材の一例を示す概略断面図である。図2において、1、2、21、22、3、41、42は前記と同様に、それぞれ、微粒子担持微粒子層付基材、微粒子層、微粒子層中の構造変化部、微粒子層中の未照射部、基材、基材中の構造変化部、基材中の構造未変化部である。微粒子担持微粒子層付基材1は、構造変化部21及び未照射部22により構成された微粒子層2と、構造変化部41及び構造未変化部42により構成された基材3とを有しており、且つ、構造変化部21の真下に接触して構造変化部41が形成されている。すなわち、構造変化部41は、基材3と微粒子層2との界面から基材3内部にかけて形成されており、構造変化部41が形成されている深さ(基材の界面からの深さ)は、特に制限されない。また、図2では、構造変化部41の方が、構造変化部21よりもその幅が小さくなっており、極めて微細な誘起構造部となっている。
【0060】
この微粒子担持微粒子層付基材1について、微粒子層の除去を行うことにより、微粒子を担持している構造変化部(微粒子担持部)を表面に有する基材が得られる。このような表面に微粒子担持部を有する基材は、図3に示されるような構成となっている。
【0061】
このような微粒子担持部が表面に形成されている基材は、回折格子、偏光素子などの光学素子として好適に用いることができる。また、微粒子が金属微粒子の場合、微粒子担持部(例えば、微粒子が分散された微粒子分散部など)は電気伝導性があり、電気回路素子などとして好適に用いることができる。
【0062】
【発明の効果】
本発明の基材への微粒子の担持方法によれば、基材表面からその内部に微粒子を容易に且つ優れた作業性で担持させることができる。また、優れた機能を有している光学素子や回路素子を容易に且つ効率よく作製することができる。
【0063】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
(実施例1)
市販のポリエチレンテレフタレート製フィルム(PETフィルム;厚み75μm)に対して、紫外線オゾン洗浄(UVオゾン洗浄)をオーク社製の「650W低圧水銀ランプ」を用いて3分間かけて行った後、該PETフィルムの一方の面に、銀微粒子(一次粒子平均粒径20nm)の1重量%(水/アルコール)分散液を塗布し、乾燥して、銀微粒子層(Ag層;厚み250nm)を有するPETフィルム(照射サンプルA)を得た。
【0064】
この照射サンプルAのAg層の上面から、該Ag層の表面(上面)又はその付近に焦点を合わせて、チタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザー装置及び対物レンズ(倍率:10倍)を使用して、超短パルスレーザー(照射波長:800nm、パルス幅:150×10-15秒、繰り返し:200kHz)を、照射エネルギー(平均出力):20mW、焦点:Ag層表面、照射スポット径:約20μmの条件で、照射サンプルAを照射方向に垂直な方向に移動速度:約500μm/秒でライン状に移動させながら照射した。さらに、そのラインに平行に幅20μm、長さ8mmのラインを15μmの間隔で15本形成した。その結果、照射サンプルAのAg層部分に、超短パルスレーザーの照射を開始した焦点位置(照射開始位置)から、照射を止めた焦点位置(照射終了位置)にかけて、元のAg層とは異なる構造を有する構造変化部(誘起構造部)が形成されていた。また、TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて、断面を観察したところ、幅8μmで且つ深さ100nmまで、PETフィルム中に、銀微粒子が分散していた。
【0065】
なお、Ag層を除去すると、PETフィルムに担持されているAg層が表面になるので、このままでも電気回路素子として利用することができること、また、PETフィルム内部に担持されている銀微粒子と、連結する導電性部を形成することにより、電気回路素子とすることができることが確認できた。
【0066】
次にこのAg層を有するサンプルを、1.8重量%のフッ化水素酸水溶液に10秒間浸漬した後、取り出して蒸留水で洗浄したところ、PETフィルム上のAg層はすべて溶解除去され、且つPETフィルム内に分散されて担持されている銀微粒子は残存しており、図3で示されるような回折格子(回折格子A)が得られた。
【0067】
また、この回折格子Aに、波長が632.8nmのHe−Ne(ヘリウム−ネオン)レーザーを照射したところ、透過回折のスポットの出現を確認した。
【0068】
(比較例1)
実施例1と同様にサンプルに、超短パルスレーザーを照射しない場合には、銀微粒子のPETフィルムへの潜り込みが生じず、PETフィルムに銀微粒子層を積層しただけでは、PETフィルム内部に銀微粒子を担持させることができなかった。
【0069】
(実施例2)
市販のポリカーボネートフィルム(PCフィルム;厚み0.5mm)に対して、UVオゾン洗浄をオーク社製「650W低圧水銀ランプ」を用いて3分間かけて行った後、PCフィルムの一方の面に、ケイ素微粒子(一次粒子平均粒径30nm;日本アエロジル社製「アエロジル90」)の1重量%(水/アルコール)分散液を塗布し、乾燥して、ケイ素微粒子層(Si層;厚み500nm)を有するPCフィルム(照射サンプルB)を得た。
【0070】
この照射サンプルBのSi層の上面から、実施例1と同様にして、この照射サンプルBに実施例1と同様の条件で超短パルスレーザーを照射し、TEMを用いて断面を観察したところ、幅18μm、深さ60μmまで、PCフィルム中に、ケイ素微粒子(シリカ微粒子)が分散していた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の集光レーザーの照射方法の一例を示す概略鳥瞰図である。
【図2】微粒子担持微粒子層付基材の一例を示す概略断面図である。
【図3】図2に係る微粒子担持微粒子層付基材から、基材上の微粒子層を除去した後の状態の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 微粒子担持部を有する微粒子層付き基材(微粒子担持微粒子層付基材)
2 微粒子の層(微粒子層)
21 微粒子層2中の照射部(構造変化部)
22 微粒子層2中の未照射部
3 基材
41 基材3中の微粒子担持部(構造変化部)
42 基材3中の微粒子未担持部(構造未変化部)
5 集光されたレーザー
51 パルス幅が10-12秒以下である超短パルスレーザー
52 集光レンズ
6 集光レーザー5の焦点位置軌跡
6a 集光レーザー5の照射開始位置
6b 集光レーザー5の照射終了位置
6c 集光レーザー5の焦点位置の移動方向[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for introducing and supporting fine particles inside a substrate, a substrate on which fine particles are supported by the method, an optical element, and a circuit element.
[0002]
[Prior art]
Recent technological developments in the electronics industry have been remarkable, and products with new functions have been announced one after another. Along with this, materials having various functions have been developed as component materials for electronic devices, and in recent years, there has been an increasing demand for higher functionality on the surface and inside of plastic structures (components). Responding to such demands for high functionality, technical support on the material side of plastic structure or plasticizing itself, and processing that incorporates functional parts and controls the structure according to the requirements Efforts are being made in two aspects, technical support in terms of aspects. For example, in order to improve the functionality and performance of the surface of plastic structures, various technologies are used from both the material and processing sides to improve and modify the chemical, electrical, optical, and physical properties of the surface. Efforts are being made. In addition, with high functionality and high performance inside the plastic structure, electrical and light conductivity, light transmission or blocking properties, moisture and gas transmission or blocking properties, heat, light, and stress In response to various characteristics such as responsiveness to external stimuli or memory characteristics, various technical efforts have been made from both the material and processing surfaces.
[0003]
Therefore, for example, in order to impart different functions (new functions, etc.) to the surface of the substrate, chemical, electrical, optical, physical, etc. etching is performed directly from the surface side, or a resist is applied. Development methods such as development and similar etching are used.
[0004]
On the other hand, technological progress with respect to laser light sources is remarkable, and in particular, pulsed lasers have nanosecond (10-9From a pulse width on the order of seconds, picoseconds (10-12Ultra-short pulses are progressing to pulse widths on the order of seconds, and more recently, femtoseconds (10-15A pulse laser having a pulse width on the order of seconds) has also been developed. Pulse width is 10-12Ultra-short pulse lasers or systems that have subseconds (for example, the pulse width is on the order of femtoseconds) or the system has characteristics such as directivity, spatial and temporal coherence, etc. Since the width is extremely narrow, even with the same average output, the electric field strength per unit time and unit space is extremely high. Therefore, an attempt to form a new structure (induced structure) by irradiating a substance with an ultrashort pulse laser using this high electric field strength has been carried out mainly using an inorganic glass material.
[0005]
On the other hand, the polymer material has a feature of low thermal conductivity and tends to store heat easily. In other words, the thermal motion of polymer materials occurs more easily than that of inorganic glass materials, and the amount of heat required for motion and reaction can be reduced. Therefore, the structure can be changed even with relatively low irradiation energy compared to inorganic glass materials. Ablation occurs. However, the pulse width is 10-12Because the electric field strength per unit time and unit space of ultrashort pulse lasers that are less than a second (for example, the pulse width is on the order of femtoseconds) is very high, damage to polymer materials due to laser irradiation is likely to occur. As a result, it is difficult to grasp the design of the polymer material necessary for the formation of the induced structure of the polymer material. To date, studies have not been performed as well as inorganic glass materials.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, in order to impart different functions to the substrate surface, etching is performed entirely from the surface side for imparting, or in order to impart partially, a resist is applied, developed, and etched. Since a forming method such as performing the method is used, workability is low. Further, in order to carry fine particles on the plastic, it is necessary to mix the plastic and the fine particles to form a film, and then perform fine processing by resist coating and etching as described above. Further, whether or not the dispersion is good when the plastic and the fine particles are mixed in advance is limited by the affinity between the plastic and the fine particles or the dispersion medium. Therefore, there is a demand for a method for imparting different functions to the substrate surface easily and with excellent workability.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for supporting fine particles on a substrate that can support fine particles easily and with excellent workability in the substrate, and a substrate on which fine particles are supported by the method. There is to do.
Another object of the present invention is to provide an optical element and a circuit element that have excellent functions and can be easily manufactured with excellent workability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have found that the pulse width is 10 after the fine particle layer is formed on the plastic substrate.-12It has been found that when a laser of less than 1 second is irradiated from the surface of the fine particle layer side, the fine particles are carried inside the plastic base material. The present invention has been completed based on these findings.
[0009]
That is, the present invention is a method for supporting fine particles on a substrate, and includes the following steps (A) to (B), and is a method for supporting fine particles on a substrate.
Step (A): Step of forming a fine particle layer on the substrate
Step (B): condensed from the fine particle layer sidePulse width is 10 -12 Less than a secondThe process of introducing fine particles into the substrate by laser irradiation
[0010]
Furthermore, it is preferable that the following step (C) is provided as a subsequent step of the step (B).
Step (C): Step of removing the remaining fine particle layer
[0011]
As the base material, a plastic base material can be suitably used. The fine particles are preferably inorganic fine particles, and the inorganic fine particles may contain at least one metal atom selected from gold, silver, copper, platinum and titanium, or a silicon atom.
[0013]
The present invention also provides,in frontRecordDepending on how fine particles are supported on the substrateOptical element in which a substrate carrying fine particles is used as a constituent elementChildprovide.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as necessary. In addition, about the same member, the same code | symbol may be attached | subjected.
[Method of supporting fine particles on substrate]
In the method for supporting fine particles on the substrate of the present invention, a fine particle layer (fine particle layer) is formed on the substrate when the fine particles are supported on the substrate, and a laser is irradiated from the fine particle layer side. It is characterized in that fine particles are introduced into the substrate from the outside. Specifically, it includes the following steps (A) to (B), and further includes the following step (C) as a subsequent step of the step (B) as necessary.
Step (A): Step of forming a fine particle layer on the substrate
Step (B): A step of introducing fine particles into the substrate by irradiation of a focused laser beam from the fine particle layer side.
Step (C): Step of removing the remaining fine particle layer
[0015]
(Process (A))
In the step (A), a fine particle layer is formed on the substrate. The surface of the substrate on which the fine particle layer is formed may be one surface of the substrate or a plurality of surfaces. In addition, the fine particle layer can be formed at least partially on one surface of the substrate, and thus may be formed entirely or only partially on a necessary site. Good.
[0016]
(Base material)
The substrate may be either an organic substrate or an inorganic substrate. As the base material, plastic base materials made of various polymer materials can be used. The substrate may have any form of a single layer or a laminate. The polymer material constituting the plastic base material includes various polymer components such as organic polymer and inorganic polymer. The polymer materials may be used alone or in combination of two or more. The organic polymer is not particularly limited, and various organic resins such as a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and an ultraviolet curable resin can be used. A thermoplastic resin is preferable, and two or more of them are preferable. A thermoplastic resin material having a glass transition temperature (glass transition point) of 2 is preferred.
[0017]
Examples of organic polymers include polydienes such as polyisoprene and polybutadiene; polyalkenes such as polyisobutylene; polyacrylates such as polybutyl acrylate and polyethyl acrylate; polyvinyl esters such as polybutoxymethylene. Polyurethanes; Polysiloxanes; Polysulfides; Polyphosphazenes; Polytriazines; Polycarboranes; Polycarbonate (PC); Methacrylate resins such as polymethyl methacrylate (PMMA); Polyesters such as polyethylene terephthalate (PET) Polyethersulfone (PES) (Polyethersulfone); Polynorbornene; Epoxy resin; Polyaryl; Polyimide; Polyetherimide (PEI); Polyesterimide; Polyamide; Styrenic resin such as polystyrene, acrylonitrile-styrene copolymer (AS resin), acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS resin); Polyarylene ether such as polyphenylene ether; Polyarylate; Polyacetal; Polyphenylene sulfide; Polysulfone (polysulfone); Polyether ketones such as polyether ether ketone and polyether ketone ketone; Polyvinyl alcohol; Polyvinyl pyrrolidone; Fluorine such as vinylidene fluoride resin, hexafluoropropylene resin, hexafluoroacetone resin Based resins and the like.
[0018]
(Fine particles)
The fine particles are not particularly limited as long as they have a fine particle shape, and fine particles made of various materials (or materials) can be used, and examples thereof include inorganic fine particles and organic fine particles. The fine particles can be used alone or in combination of two or more. As fine particles, inorganic fine particles can be suitably used.
[0019]
As inorganic fine particles,
[0020]
As long as it has the form of fine particles, the inorganic fine particles may be composed of simple inorganic elements, including inorganic element oxides (including complex oxides), hydroxides, halides (chlorides, etc.), Oxo acid salts (nitrate, sulfate, phosphate, carbonate, etc.) may be used.
[0021]
The inorganic fine particles preferably contain at least one metal atom selected from gold, silver, copper, platinum and titanium, or a silicon atom. That is, as the inorganic fine particles, metal fine particles containing various metal atoms and silicon fine particles containing silicon atoms can be suitably used.
[0022]
As the material (or material) of the metal fine particles, metal compounds containing various metal atoms can be used. Metal atoms related to the metal fine particles include titanium, zirconium, platinum, copper, silver, gold, aluminum and the like. As the metal fine particles, those containing at least one metal atom selected from gold, silver, copper, platinum and titanium are preferable. In particular, gold and platinum are less likely to be oxidized and are stable, and thus are optimal as metal atoms of metal fine particles.
[0023]
In addition, as the material (or material) of the silicon fine particles, various silicon-based compounds containing silicon atoms can be used.
[0024]
In addition, as a material (or raw material) of organic fine particles, the organic polymer illustrated by the term of the said base material is mentioned. Moreover, organic compounds such as organic acid salts (acetates, propionates, stearates, etc.) and complexes of the inorganic elements can also be used as the organic fine particles.
[0025]
The particle size (average particle size) of the fine particles is, for example, desirably 300 μm or less (preferably 5 nm to 100 μm, more preferably 10 nm to 1,000 nm).
[0026]
Various surface treatments may be applied to the surface of the fine particles. By subjecting the fine particles to surface treatment, for example, stability as colloidal particles in a solvent can be enhanced.
[0027]
The method of forming the fine particle layer is not particularly limited, and a method of applying and drying a fine particle dispersion (for example, a colloidal liquid of fine particles) is preferable because it is simple, but depending on the material of the fine particles, sputtering is preferable. A dry process such as a method, a vacuum deposition method, or an ion plating method, or a wet process such as a thermal decomposition method or a sol-gel method may be used.
[0028]
The thickness of the fine particle layer can be selected from a range of, for example, about 0.01 to 50 μm (preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 0.1 to 10 μm). The fine particle layer is preferably a thin layer. When the thickness of the fine particle layer is less than 0.01 μm, it becomes difficult to obtain a planar continuous fine particle layer, and when it exceeds 50 μm, problems such as the generation of cracks in the fine particle layer may occur.
[0029]
The fine particle layer preferably has a flat upper surface, but may have an uneven shape. Further, the size (area) of the upper surface is not particularly limited.
[0030]
The fine particle layer may have either a single layer structure or a multilayer structure. Furthermore, the fine particle layer may contain other materials and additives as required.
[0031]
(Process (B))
In the step (B), fine particles are introduced into the base material by irradiating a laser beam focused on a predetermined portion from the fine particle layer side (upper surface of the fine particle layer) provided on the base material. Therefore, the fine particles can be carried inside the substrate.
[0032]
(Focused laser)
In the present invention, it is important to use a focused laser (sometimes referred to as a “collected laser”). By irradiating the focused laser beam from the outside of the fine particle layer on the base material, the microparticles enter the base material at the irradiated part and its peripheral part, and the focused laser beam on the base material irradiates. The structure of the irradiated part and its peripheral part can be changed, and a fine structure change part (induction structure part) can be formed. For example, if the wavelength of the irradiated laser is set to 800 nm, no change occurs in the base material or the fine particle layer when the unfocused laser is irradiated. Photon absorption (for example, two-photon absorption, three-photon absorption, four-photon absorption, five-photon absorption, etc.) occurs, and an induced structure can be formed in the substrate or the fine particle layer. Specifically, when the induced structure portion of the base material was observed after the focused laser irradiation, it was confirmed that fine particles that had been deagglomerated had entered the base material. This is because the dispersion of fine particles due to impact generated in the irradiation part of the focused laser, the pushing of the fine particles into the base material due to the dispersion, and the base material due to the thermal motion of the base material (particularly plastic base material) This is thought to be caused by the incorporation of fine particles inside. Note that the probability of such multiphoton absorption increases in proportion to the intensity of light, and the higher the intensity, the easier the multiphoton absorption occurs.
[0033]
In particular, in the present invention, by appropriately adjusting the intensity of the laser beam and the degree of condensing the laser beam, the degree of loading of fine particles in the base material (particularly the plastic base material) (amount, density, depth, etc.) Can be adjusted.
[0034]
As such a laser, 1 × 10-12Seconds or less (1 x 10-12Second to 1 × 10-15Second) laser (sometimes referred to as "ultrashort pulse laser") is particularly preferred. A smaller pulse width is preferable in that a high light intensity can be easily obtained. It is also possible to form a much finer induction structure. Such an ultrashort pulse laser can be obtained, for example, by reproducing and amplifying a laser using a titanium / sapphire crystal or a dye laser.
[0035]
In the laser (particularly, an ultrashort pulse laser), the wavelength is preferably, for example, in the wavelength region of visible light (for example, 400 to 800 nm). Moreover, as repetition, it can select from the range of 1 Hz-80 MHz, for example, and is about 10 Hz-500 kHz normally.
[0036]
The average output or irradiation energy of the laser (particularly, ultrashort pulse laser) is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the size of the target structural change portion, the degree of structural change, and the like. For example, it can be selected from a range of about 500 mW or less (for example, 1 to 500 mW), preferably 5 to 300 mW, and more preferably about 10 to 100 mW. Thus, in this invention, the irradiation energy of a laser (especially ultrashort pulse laser) may be low.
[0037]
The method for condensing the laser is not particularly limited, and for example, a method using a condensing lens can be suitably employed. Such a condensing lens is not particularly limited, and the material of the base material, the material of the fine particles, the size of the target structural change portion (fine particle carrying portion) and the degree of change in the structure (degree of fine particle carrying), etc. It can be selected as appropriate according to the conditions.
[0038]
The irradiation spot diameter of the condensing laser is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the size of the target structural change portion, the degree of structural change, the size, numerical aperture, or magnification of the condensing lens. For example, it can select from the range of about 1.0-50 micrometers (preferably 10-30 micrometers).
[0039]
(Irradiation method)
The method of irradiating the focused laser is not particularly limited, and for example, a method of irradiating only one point (or a part) at any point or every point, or irradiating in a line while moving the focal position Can be adopted. The line shape at the time of irradiating the focused laser while moving the focal position of the focused laser is not particularly limited, and may be an arbitrary line, for example, a straight line or a curved line. . Further, the focal position of the focused laser can be moved continuously or intermittently. In addition, by irradiating the condensing laser by computer control, it is possible to irradiate any complicated line shape while moving the focal position of the condensing laser.
[0040]
FIG. 1 is a schematic bird's-eye view showing an example of a focused laser irradiation method of the present invention. In FIG. 1,
[0041]
The
[0042]
A predetermined portion of the
[0043]
6a is an initial position or a center position (when it is referred to as “irradiation start position”) when the
[0044]
Specifically, when the
[0045]
Further, since the focal position is continuously moved during the irradiation of the condensing
[0046]
The speed (moving speed) for moving the focal position of the
[0047]
The focal position of the condensing
[0048]
As described above, the
[0049]
In FIG. 1, the structure changing portions (21, 41) are continuously formed in the moving direction by moving the focal position of the focusing
[0050]
The size of the structure change portion (21, 41) is not particularly limited, and is controlled precisely even if the diameter or the length of one side is 1 mm or less (preferably 500 μm or less). Can be formed. In particular, by using an ultrashort pulse laser as the laser, it is possible to control the structural change portion (particularly, the fine particle supporting portion in the base material) with higher precision.
[0051]
In the present invention, in one
[0052]
Note that the size, shape, and degree of structural change of the structure change part depend on the irradiation time of the focused laser, the moving direction and speed of the focused position of the focused laser, the type of base material, and the material of the fine particles. It can be appropriately adjusted depending on the type, the pulse width of the laser, the irradiation energy, the numerical aperture and magnification of the condenser lens, and the like.
[0053]
The
[0054]
In addition, the structure
[0055]
As described above, according to the method for supporting fine particles on the base material of the present invention, the fine particles can be introduced and supported from the surface of the base material to the inside even if the fine particles are not previously contained in the base material. it can. In addition, the fine particle carrying portion in the base material carrying the fine particles can be formed extremely finely and with good control. In addition, since the method of irradiating the focused laser after forming the fine particle layer on the base material, the fine particles can be easily supported on the base material with excellent workability.
[0056]
(Process (C))
In the step (C), the fine particle layer remaining on the base material is removed from the base material without moving into the base material. Thus, by removing the fine particle layer, a base material having a fine particle supporting portion (structure changing portion) on the surface portion is produced. In addition, this process (C) can be performed as needed. Step (C) can be employed as a subsequent step of step (B).
[0057]
When removing the fine particle layer, for example, a removal method by cleaning, an etching method by an etching solution, or the like can be used. For example, when the fine particle layer is a layer of metal fine particles, an acidic aqueous solution (for example, an aqueous solution of an inorganic acid such as a hydrochloric acid aqueous solution, a sulfuric acid aqueous solution, a nitric acid aqueous solution, an oxalic acid aqueous solution, or hydrofluoric acid) is used as an etching solution. It can be removed by etching. The etching method at this time is not particularly limited, and examples thereof include a method of immersing the whole substrate having the fine particle layer or only the fine particle layer in an etching solution.
[0058]
[Substrate carrying fine particles]
The base material on which the fine particles of the present invention are supported is formed by the method for supporting fine particles on the base material, that is, a fine particle layer is formed on the base material, and the fine particle layer or the fine particle layer is formed on the base material. It can be produced by irradiating a focused laser, introducing and supporting fine particles in the base material, and removing the fine particle layer remaining on the base material as necessary.
[0059]
When the fine particle layer on the substrate is irradiated with a focused laser, a structure change portion (induced structure portion) is formed in the fine particle layer due to a change in the structure of the fine particle layer in the focused laser irradiation portion. By introducing the fine particles of the fine particle layer into the base material, a structure change portion (inductive structure portion) in which the fine particles are supported is formed immediately below the structure change portion of the fine particle layer, and as shown in FIG. A substrate with a fine particle layer on which fine particles are supported (a substrate with a fine particle-supported fine particle layer) is produced. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a substrate with a particulate-supporting particulate layer. In FIG. 2, 1, 2, 21, 22, 3, 41, and 42 are the same as described above, the substrate with the fine particle-supported fine particle layer, the fine particle layer, the structure change portion in the fine particle layer, and the unirradiated in the fine particle layer, respectively. Part, base material, structural change part in the base material, and structure unchanged part in the base material. The
[0060]
By removing the fine particle layer for the fine particle-supported fine particle layer-coated
[0061]
A substrate on which such a fine particle supporting part is formed can be suitably used as an optical element such as a diffraction grating or a polarizing element. When the fine particles are metal fine particles, the fine particle supporting portion (for example, the fine particle dispersed portion in which the fine particles are dispersed) has electrical conductivity and can be suitably used as an electric circuit element.
[0062]
【The invention's effect】
According to the method for supporting fine particles on the base material of the present invention, the fine particles can be easily supported from the surface of the base material to the inside thereof with excellent workability. In addition, an optical element or a circuit element having an excellent function can be easily and efficiently manufactured.
[0063]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
A commercially available polyethylene terephthalate film (PET film; thickness 75 μm) was subjected to ultraviolet ozone cleaning (UV ozone cleaning) for 3 minutes using a “650W low-pressure mercury lamp” manufactured by Oak Co. A PET film having a silver fine particle layer (Ag layer; thickness 250 nm) coated with 1% by weight (water / alcohol) dispersion of silver fine particles (average primary particle diameter 20 nm) on one surface of Irradiated sample A) was obtained.
[0064]
From the upper surface of the Ag layer of the irradiated sample A, focusing on the surface (upper surface) of the Ag layer or the vicinity thereof, using a titanium / sapphire / femtosecond pulse laser device and an objective lens (magnification: 10 ×). , Ultrashort pulse laser (irradiation wavelength: 800 nm, pulse width: 150 × 10-15Second, repetition: 200 kHz), irradiation energy (average output): 20 mW, focal point: Ag layer surface, irradiation spot diameter: about 20 μm, moving speed of irradiation sample A in a direction perpendicular to the irradiation direction: about 500 μm / Irradiated while moving in a line in seconds. Further, 15 lines having a width of 20 μm and a length of 8 mm were formed in parallel with the lines at intervals of 15 μm. As a result, the Ag layer portion of the irradiation sample A is different from the original Ag layer from the focal position (irradiation start position) where the irradiation of the ultrashort pulse laser is started to the focal position (irradiation end position) where the irradiation is stopped. A structural change portion (induced structure portion) having a structure was formed. Further, when a cross section was observed using a TEM (transmission electron microscope), silver fine particles were dispersed in the PET film up to a width of 8 μm and a depth of 100 nm.
[0065]
When the Ag layer is removed, the Ag layer carried on the PET film becomes the surface, so that it can be used as an electric circuit element as it is, and the silver fine particles carried inside the PET film are connected to the Ag film. It was confirmed that an electric circuit element can be obtained by forming a conductive portion.
[0066]
Next, the sample having this Ag layer was immersed in a 1.8 wt% hydrofluoric acid aqueous solution for 10 seconds, then taken out and washed with distilled water. As a result, all the Ag layer on the PET film was dissolved and removed, and Silver fine particles dispersed and supported in the PET film remained, and a diffraction grating (diffraction grating A) as shown in FIG. 3 was obtained.
[0067]
Moreover, when this diffraction grating A was irradiated with a He-Ne (helium-neon) laser having a wavelength of 632.8 nm, the appearance of transmission diffraction spots was confirmed.
[0068]
(Comparative Example 1)
As in Example 1, when the sample was not irradiated with an ultrashort pulse laser, the silver fine particles did not penetrate into the PET film, and the silver fine particles inside the PET film were obtained simply by laminating the silver fine particle layer on the PET film. Could not be supported.
[0069]
(Example 2)
A commercially available polycarbonate film (PC film; thickness 0.5 mm) was subjected to UV ozone cleaning for 3 minutes using an Oak “650W low-pressure mercury lamp”, and then one side of the PC film was coated with silicon. PC having 1 wt% (water / alcohol) dispersion of fine particles (average particle size of primary particles: 30 nm; “Aerosil 90” manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), dried, and having a silicon fine particle layer (Si layer; thickness 500 nm) A film (irradiated sample B) was obtained.
[0070]
From the upper surface of the Si layer of this irradiated sample B, in the same manner as in Example 1, the irradiated sample B was irradiated with an ultrashort pulse laser under the same conditions as in Example 1, and the cross section was observed using a TEM. Silicon fine particles (silica fine particles) were dispersed in the PC film up to a width of 18 μm and a depth of 60 μm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic bird's-eye view showing an example of a focused laser irradiation method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a substrate with a fine particle-supporting fine particle layer.
3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a state after the fine particle layer on the base material is removed from the fine particle-supported fine particle layer-attached base material shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Substrate with a fine particle layer having a fine particle support (base material with a fine particle support fine particle layer)
2 Fine particle layer (fine particle layer)
21 Irradiation part (structure change part) in
22 Unirradiated part in
3 Base material
41 Particulate support part (structure change part) in the
42 Part not carrying fine particles (structure unchanged part) in the
5 Focused laser
51 Pulse width is 10-12Ultrashort pulse laser that is less than a second
52 Condensing lens
6 Focus position locus of
6a Irradiation start position of the
6b Irradiation end position of
6c Movement direction of the focal position of the
Claims (6)
工程(A):基材上に、微粒子の層を形成する工程
工程(B):微粒子層側からの集光されたパルス幅が10-12秒以下のレーザーの照射により、基材内に微粒子を導入する工程A method for supporting fine particles on a base material, comprising the following steps (A) to (B).
Step (A): A step of forming a fine particle layer on the base material Step (B): Fine particles in the base material by laser irradiation with a focused pulse width of 10 −12 seconds or less from the fine particle layer side The process of introducing
工程(C):残存している微粒子層を除去する工程Furthermore, the supporting method of the microparticles | fine-particles to the base material of Claim 1 which has comprised the following process (C) as a post process of a process (B).
Step (C): Step of removing the remaining fine particle layer
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