[論文レビュー] Controlling the size distribution of nanoparticles through the use of physical boundaries during laser ablation in liquids

Kaushik Roy Choudhury, Rajesh Kumar Singh+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2018

Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、焼鈍部位に物理的境界を導入することで、液体中レーザー焼鈍におけるナノ粒子のサイズ分布を制御する新規手法を提示する。プラズマプレームを閉じ込めることで、冷却時間（熱化時間）が延長され、結果としてナノ粒子がより大きくなる。銅（Cu）およびチタン（Ti）を水およびイソプロパノールで実験したところ、開放的配置（オープンターゲット）と比較して、平均サイズが顕著に増加した—特に銅において顕著であった。

ABSTRACT

A simple, yet effective method of controlling the size and size distributions of nanoparticles produced as a result of laser ablation of target material is presented. The method employs the presence of physical boundaries on either sides of the ablation site. In order to demonstrate the potential of the method, experiments have been conducted with copper and titanium as the target materials that are placed in two different liquid media (water and isopropyl alcohol). The ablation of the target material immersed in the liquid medium has been carried out using an Nd:YAG laser. Significant differences in the size and size distributions are observed in the cases of nanoparticles produced with and without confining boundaries. It is seen that for any given liquid medium and the target material, the mean size of the nanoparticles obtained with the boundary-fitted target surface is consistently higher than that achieved in the case of open (flat) targets. The observed trend has been attributed to the plausible role(s) of the confining boundaries in prolonging the thermalisation time of the plasma plume. In order to ascertain that the observed differences in sizes of the nanoparticles produced with and without the presence of the physical barriers are predominantly because of the prolonged thermalisation of the plasma plume and not due to the possible formation of oxide layer, select experiments with gold as the target material in water have also been performed. The experiments also show that, irrespective of the liquid medium, the increase in the mean size of the copper-based nanoparticles due to the presence of physical boundaries is relatively higher than that observed in the case of titanium target material under similar experimental conditions.

研究の動機と目的

• 液体中レーザー焼鈍におけるナノ粒子のサイズおよびサイズ分布を正確に制御する簡単な手法を開発すること。
• 焼鈍部位に近接する物理的境界がプラズマプレームのダイナミクスおよびナノ粒子形成に与える影響を調査すること。
• 観察されたサイズ変化が、冷却時間の延長に起因するのか、酸化被膜の形成に起因するのかを特定すること。
• 異なる材料（銅（Cu）、チタン（Ti）、金（Au））および液体媒体（水、イソプロパノール）における閉じ込め効果の違いを比較すること。

提案手法

• 標的材料の両側に物理的境界を設け、プラズマプレームの拡散を制限する焼鈍部位の閉じ込め。
• 銅およびチタン標的を水またはイソプロパノールに沈めた状態で、Nd:YAGレーザーを用いて境界閉じ込め型および開放的（平らな）標的条件の両方で焼鈍する。
• 合成されたナノ粒子のサイズおよびサイズ分布を分析するために透過型電子顕微鏡（TEM）を用いる。
• 表面酸化の影響を分離するために、金（Au）を水で用いた制御実験を実施する。
• 境界閉じ込め型と開放的焼鈍の両設定において、平均粒子サイズおよびサイズ分布の幅を測定・比較する。
• 冷却時間の延長がナノ粒子成長に与える役割を、閉じ込めと観察されたサイズ増加の相関関係から分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的境界の存在が、レーザー焼鈍によるナノ粒子のサイズおよびサイズ分布に与える影響は何か？
• RQ2 サイズ制御の主な物理的メカニズムは何か—冷却時間の延長か、表面酸化か？
• RQ3 異なる標的材料（銅（Cu）、チタン（Ti）、金（Au））は、閉じ込めに対してナノ粒子サイズ増大の観点でどのように反応するか？
• RQ4 液体媒体（水対イソプロパノール）が、閉じ込め下でのサイズ制御効果にどのように影響するか？
• RQ5 この境界ベースの手法を用いることで、平均ナノ粒子サイズをどの程度まで調整可能か？

主な発見

• 物理的境界の存在は、常に開放的配置と比較して、レーザー焼鈍ナノ粒子の平均サイズを増加させる。
• 銅ナノ粒子においては、同一条件下でチタンと比較して、境界閉じ込めによる平均サイズの増加が顕著に大きかった。
• 銅およびチタンの両材料において、水中でのサイズ増加がイソプロパノール中よりも顕著であったため、溶媒依存効果が示された。
• 金を水で用いた制御実験により、サイズ増加は表面酸化ではなく、冷却時間の延長に起因することが確認された。
• 境界閉じ込め下でもサイズ分布の幅は狭く保たれ、良好なモノ分散性制御が可能であった。
• 観察された傾向は、境界閉じ込めがプラズマプレームの冷却時間を延長し、ナノ粒子成長を促進するという仮説を支持している。