3年計画の2年目となる2021年度は、天然資源由来の材料として竹材への導電性付与、リグニンを用いた選択的熱的効果の増強、SiCを経由した炭素材料の生成と微小高感度センサーの作製を行うとともに、研究成果を展開することでグラフェン量子ドットが直接描画できること示した。竹材への導電性付与では、レーザパルス照射により導電性を示す多孔質の黒鉛質炭素が生成すること、同構造が電気二重層キャパシタに応用可能であることを実験実証した。リグニンを用いた研究では、単独ではレーザによる炭化が容易ではないポリ乳酸を対象とし、リグニンを光吸収体として含有させることで黒色の導電性構造が作製できること示した。SiCを経由した炭素材料の生成では、前駆体としてポリジメチルシロキサンを使用し、SiCならびにsp2炭素とsp3炭素の生成を確認するとともに、カーボンナノオニオンが生成することを明らかにした。また、前年度に開発を行ったデフォーカス照射方式を利用することで、ポリジメチルシロキサンを前駆体とする指輪型のデバイスを作製し、心拍モニタリングを試みた。心拍に伴う血管の膨張と収縮を作製したセンサーの抵抗値により測定し、開発技術の応用実証を達成した。さらに、研究代表者らは光乖離と熱分解の過程に着目し、導電性を示すような構造だけでなく、材料内部に分布する黒鉛化炭素粒子の寸法を制御できるのではないかと考えた。特定のレーザパラメータではナノメートル寸法の黒鉛質炭素結晶が生成することを見出し、青色の蛍光を示すグラフェン量子ドットがレーザにより直接描画可能であることを実験実証した。以上の成果を原著論文および国内外の会議において発表した。
In the second year of the three-years plan, we investigated several topics for the objective including adding conductivity to bamboo wood as a material derived from natural resources, enhancing thermal effects to lignin, generation of carbon materials via SiC formation, and fabrication of high-sensitivity sensors. In addition, we expanded our research to the graphene quantum dots formation. As for the conductive bamboo, we experimentally demonstrated that laser pulse irradiation produces porous graphitic carbon that exhibits conductivity, and application of the fabricated structure for super capacitors are also demonstrated. As for the lignin experiments, polylactic acid, which is not easily carbonized by laser irradiation alone. By the use of dimethylpolysiloxane as a precursor, SiC, sp2 and sp3 carbons, as well as carbon nano-onions are formed. In addition, by using the defocusing irradiation method developed in the previous year, we fabricated a ring-shaped device using polydimethylsiloxane as a precursor and attempted heart rate monitoring. The expansion and contraction of blood vessels during a heartbeat were measured by the resistance value of the fabricated sensor, and the application of the developed technology was demonstrated. Furthermore, we focused on the processes of photolysis and thermal degradation, and wondered if it would be possible to control the size dimensions and size of graphitized carbon particles distributed inside the material. We found that graphitic carbon crystals with nanometer dimensions are generated at specific laser parameters, and experimentally demonstrated that blue-fluorescent graphene quantum dots can be directly written by laser scanning. These results were presented in original papers and at conferences.
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