ニュースリリース
令和３年１０⽉２９⽇
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光渦を照射するだけで構造⾊を⽰すフォトニックリングを直接印刷︕－次世代プリンタブルエレクトロニクス技術の確⽴－
千葉⼤学分⼦キラリティー研究センターの尾松孝茂教授、桑折道済准教授、北海道⼤学⼤学院⼯学研究院の⼭根啓作准教授、⼤阪市⽴⼤学⼤学院理学研究科の柚⼭健⼀講師、⼤阪⼤学⼤学院基礎⼯学研究科の川野聡恭教授らの共同研究グループは、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注 1)を照射することで、⻘から⻘緑の構造⾊注 2）を⽰すフォトニック構造注 3）のマイクロリングを印刷することに成功しました。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ました。
これらの印刷技術は、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、バイオセンサーといったデバイス開発など、次世代プリンタブルエレクトロニクス技術の確⽴に繋がることが期待されます。また、光渦とナノ粒⼦の相互作⽤に基づくこれらの現象を応⽤することで、混合物中のナノ微粒⼦の種類（誘電体であるか⾦属であるか）に応じてナノ微粒⼦を空間的に分離する「光渦ナノ粒⼦ソーテ
ィング」という新しいナノ微粒⼦分離法が可能となります。（図 1）
本研究成果は、2021 年 10 ⽉ 25 ⽇にドイツ学術誌「Nanophotonics」にてオンライン掲載されました。

■ 研究の背景
近年、電⼦デバイスのフレキシブル化、製造のオンデマンド化の需要の⾼まりに伴い、半導体・電⼦製品などを印刷（プリンティング）により製造する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ます。レーザー誘起前⽅転写法注 4)（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です。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ます。
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でした。
これらの課題を克服するため、光渦と呼ばれる特殊なレーザー光を⽤いた光渦レーザー誘起前⽅転写法（光渦 LIFT）を
図 1 光渦ナノ粒⼦ソーティングの概念図。
考案しました。
誘電体︓レーザー吐出された液滴に対する光渦の軌道■ 研究の成果
本研究では、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、図 2 (右)(次ページ)に⽰すような-1-⾓運動量の効果でナノ微粒⼦が三次元的に最密充填されてフォトニック構造を有するマイクロリングが形成される。
⾦属︓液滴の⾃転運動に加えて、⾦ナノ微粒⼦が光渦の光場から斥⼒（しりぞける⼒）を受けて液滴の中央部に捕捉され、ナノコアとして印刷される。

⻘から⻘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ました。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ものです（P2「実験の詳細」参照）。
⼀⽅、従来のガウシアンビーム 注 5) を⽤いた
LIFT で転写されたドットは、図 2（左）に⽰すよ
うに、いびつでドット中にナノ微粒⼦が不均⼀に分布しています。
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します。
図 2 （左）ガウシアンビームを⽤いた従来 LIFT によって印刷ささらに、⾦ナノ微粒⼦分散液に光渦 LIFT を適れたドット。ナノ微粒⼦がランダムに分布している。（右）光渦
⽤すると、光渦の位相特異点（光の暗点）に捕捉
LIFT によって印刷されたマイクロリング。ナノ微粒⼦が細密充填されているため、ドナー液膜のナノ微粒⼦濃度を変えることで印された単⼀⾦ナノ微粒⼦がナノコアとして印刷刷されたリングを構成する層数が変わるとともに構造⾊が⻘からされることがわかりました。光を使いながら単⼀緑⻘に変化する。1wt%時は単⼀層なので構造⾊が現れない。
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です（図 3）。
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ます。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」への応⽤も可能です。
■ 実験の詳細

図 3 （左）光渦によって印刷された⾦属ナノコア。位相特異点（暗点）部に⾦属ナノ微粒⼦が集中している。（右）ガウシ
アンビーム照射によって印刷された⾦属ナノ粒⼦ドット。光が照射されていない部分に⾦属ナノ微粒⼦が印刷されてしまう。

螺旋位相板によって光渦に変換した波⻑ 532 nm のナノ秒パルスレーザーをガラス基板上のドナーである誘電体ナノ微粒⼦分散液膜にビームスポットが 50 µm になるようにレンズで集光しました。単⼀パルス照射によって、液膜から単⼀液滴を吐出し、別のガラス基板上（レシーバー基板）にドットとして転写しました。
本実験で⽰された誘電体ナノ微粒⼦からなるマイクロリングがレシーバー基板上に印刷されます。これらの構造の形成には、光渦の軌道⾓運動量が⼤きく寄与しています。吐出された液滴が光渦の軌道⾓運動量によって⾃転運動しながら⾶翔した結果、誘電体ナノ微粒⼦が液滴中で遠⼼⼒を受けてリング状に⾼密度充填されてマイクロリングを形成し、印刷されます。
ドナーが⾦ナノ微粒⼦の場合、液滴の⾃転運動に加えて、⾦ナノ微粒⼦が光渦の円環に対して斥け合うような⼒を受けます。その結果、液滴の中央部に捕捉されて、⾦ナノ微粒⼦はナノコアとして印刷されます。

-2-

■ 研究者のコメント（千葉⼤学分⼦キラリティー研究センター 教授 尾松孝茂）本技術を活⽤すると、ナノ微粒⼦の濃度や光渦の⾓運動量の次数を変調するだけで様々な⾊調を発⾊させることができるので、⾊材を⽤いないカラー印刷が可能になります。また、レーザー⾊素などを含有したナノ微粒⼦をドナーに⽤いた場合、構造⾊に相当する様々な波⻑で発振するマイクロリングレーザーを印刷技術で形成できます。さらにマイクロリングは光の伝播速度を制御できる光ルーターなどにも応⽤できると思われます。⾦属ナノコアはバイオセンサーなどのデバイス応⽤などが期待できます。本技術は次世代プリンタブルフォトニクスに繋がることが期待できます。
■⽤語解説注 1) 光渦︓等位相⾯（同じ位相の場所を通り、かつ波の進⾏⽅向に対して垂直になるような⾯）である波⾯が螺旋状（螺旋波⾯）になっており、中央に光の暗点がある円環型の強度分布をもつ光を光渦と呼ぶ。
光渦は、1 波⻑あたりの螺旋波⾯の巻き数 ℓ（整数）に対して ℓℏ のトルク（軌道⾓運動量）を有する。
注 2) 構造⾊︓物体⾃⾝が持つ⾊ではなく、周期的な微細構造によって発現する⾊。微細構造により、特定の⾊のみを反射することで、タマムシのような光沢のある鮮やかな発⾊を⽰す。
注 3）フォトニック構造︓光の波⻑と同程度の周期でナノ微粒⼦が配列してできた構造。特定の周波数に対する選択的な回折(反射)が起こるため、層数あるいは層間隔に応じた構造⾊が現れる。
注 4）レーザー誘起前⽅転写法（LIFT）
︓透明基板上に形成したドナー液膜に対してレーザーパルスを照射して、前⽅にドナー液滴を⾶翔させて転写する印刷技術。原理的に転写できる物質の粘度や濃度に制限がない。
注 5）ガウシアンビーム︓レーザーの最も基本的な横モードで、ヘルムホルツ⽅程式の近軸固有解として与えられる。ガウス分布状の強度分布を持つ。

■ 論⽂情報
著者︓Haruki Kawaguchi, Kei Umesato, Kanta Takahashi, Keisaku Yamane, Ryuji Morita, Ken-ichiYuyama, Satoyuki Kawano, Katsuhiko Miyamoto, Michinari Kohri and Takashige Omatsu
論⽂タイトル︓“Generation of hexagonal close-packed ring-shaped structures using an opticalvortex”

雑誌名︓Nanophotonics

DOI︓https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0437■ 研究プロジェクトについて
本研究は、科学研究費助成事業基盤研究 A および科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業（CREST）の⼀環として⾏われました。また、千葉⼤学分⼦キラリティー研究センター内における共同研究の成果です。

本件に関するお問い合わせ〈研究に関すること〉
千葉⼤学⼤学院⼯学研究院物質科学コース 教授 ／ 千葉⼤学分⼦キラリティー研究センター センター⻑
尾松 孝茂（オマツ タカシゲ）
TEL︓ 043-290-3477 FAX︓ 043-290-3477 メール︓ omatsu@faculty.chiba-u.jp〈報道担当〉
千葉⼤学広報室
TEL︓ 043-290-2018 メール︓ koho-press@chiba-u.jp-3-