光共振器およびレーザ応用のためのポリマーマイクロスフェアの作製

この手順の全体的な目標は、レーザーデバイス、光回路、および化学的および生物学的光学センサー用の光マイクロ共振器を製造することです。この方法は、ポリマー光学、オプトエレクトロニクス、エレクトロニクスなどの機能性高分子材料分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。このシンプルで低エネルギー消費技術の主な利点は、機能性ポリマーを使用して、光学特性と電気特性の両方を備えた光共振器を製造できることです。

その手順を実演していただくのは、私の研究室の大学院生である岡田さん、ザカリアスさん、沖さんです。この手順の蒸気拡散法を開始するには、50ミリリットルのバイアルに5ミリリットルのメタノールを追加します。次に、2ミリグラムの共役ポリマーを2ミリリットルのクロロホルムに5ミリリットルのバイアルで溶解します。

5ミリリットルのバイアルを50ミリリットルのバイアルの中に慎重に置きます。この後、50ミリリットルのバイアルにキャップをします。25°Cで3日間インキュベートし、ポリマーミクロスフェアを沈殿させます。

ミニエマルジョン法を開始するには、5ミリグラムの共役ポリマーを1ミリリットルのクロロホルムに溶解します。次に、30ミリグラムのSDSを2ミリリットルの脱イオン水に溶解します。100マイクロリットルのポリマー混合物をSDS溶液に加えます。

超高速ホモジナイザーを使用して、30, 000 RPMで2分間攪拌します。クロロホルムを蒸発させるためのキャップなしで、エマルジョンを1日休ませます。翌日、分散液を1.5ミリリットルの遠心分離チューブで2,200回gで5分間遠心分離する。

上清を取り除いた後、1ミリリットルの脱イオン水を加え、激しく振ってください。遠心分離、上清の除去、水洗浄を3回繰り返して、残留SDSを完全に除去します。界面沈殿法を開始するには、20ミリグラムのポリスチレンを1ミリグラムの蛍光色素に20ミリリットルのテトラヒドロフランに溶解します。

空の1.5ミリリットルのマイクロチューブに1ミリリットルの脱イオン水を追加します。次に、0.2ミリリットルのTHF溶液を水層にそっと注ぎ、層が混ざらないように注意します。キャップがポリマーマイクロスフェアを沈殿させないように、バイアルを6時間休ませます。

まず、調製したマイクロスフェアの懸濁液を、メタノールや脱イオン水などの低溶媒で10倍に希釈します。スピンコーターを使用して、希釈した懸濁液を1滴石英基板上にスピンキャストします。得られたキャストフィルムを、溶剤が完全に蒸発するまで風乾します。

次に、石英基板を光学顕微鏡のサンプルステージに移します。マイクロフォトルミネッセンス測定のための単離された明確に定義された微小球を特定します。テキストプロトコルに概説されているようにレーザー条件を設定し、集束レーザービームを使用してミクロスフェアを照射します。

分光計を使用して、フォトルミネッセンススペクトルを記録します。次に、照射された微小球の蛍光像を撮影します。まず、石英基板を光学顕微鏡のサンプルステージに置きます。

明確に定義された 1 つのマイクロスフェアを特定します。次に、タングステンマイクロニードルをマイクロマニピュレーション装置にセットします。タッチパネルコントローラーを使用して、マイクロニードルを動かし、マイクロスフィアを拾います。

収集したマイクロスフェアを別の 1 つの明確に定義されたマイクロスフェアに接続します。この後、集束レーザービームをマイクロスフェアに照射します。分光計を使用して、フォトルミネッセンススペクトルを記録します。

次に、照射された微小球の蛍光画像を撮影します。この研究では、明確に定義されたポリマーミクロスフェアを3つの異なる方法を使用して作製します。蒸気拡散法、ミニエマルジョン法、界面沈殿法があります。

走査型電子顕微鏡は、蒸気拡散法と界面沈殿法が、非常に滑らかな表面形態のミクロスフェアを生成することを示しています。しかし、ミニエマルジョン法で得られるものは、界面活性剤が全面を覆っているため、粗いです。その後、ウィスパリングギャラリーモードのフォトルミネッセンスは、ポリマー1、ポリマー2、およびそれらのブレンドの単一のマイクロスフィアについて記録されます。

Q係数は、ポリマー1の場合、2, 200に達すると見られました。しかし、ポリマー2で構成されたミクロスフェアは、おそらく表面の形態が粗いため、300までしか達しませんでした。ポリマーブレンドで構成されたミクロスフェアは、おそらくその滑らかな形態のために1, 500の高いQ係数を維持しました。

緑、黄、オレンジ、赤のフォトルミネッセンス色を持つ多形ポーラロン色素ドープポリスチレンマイクロスフェアを連結してテトラスフェアを形成し、球体間エネルギー伝達カスケードを調査しました。緑から黄色、黄色からオレンジへの光エネルギー移動は効率的であることがわかりますが、エネルギー供与体のフォトルミネッセンスバンドとエネルギーアクセプターの吸着バンドとの間の小さな重なりのために、オレンジから赤へのエネルギー移動は発生しませんでした。そのため、赤からオレンジ、黄、緑などのアップコンバートされたエネルギー移動はほとんど発生しません。

この手順を試行する際は、急激な沈殿を引き起こし、骨材が不明確になる可能性のあるバイアルを振らないように注意することが重要です。この手順に続いて、乳化重合や分散重合法などの他の方法を実行して、コロイドフォトニック結晶に適用するための単分散ポリマー球の調製方法などの追加の質問に答えることができます。この技術は、その開発後、高分子科学の分野の研究者が機能性高分子を用いた光学およびレーザー応用を探求する道を開きました。

このビデオを見た後、ボトムアップ自己組織化プロセスによるマイクロ光学共振器の準備方法についてよく理解しているはずです。レーザーデバイスの使用には、目に害を及ぼすレーザー光線から保護するために特別な注意を払う必要があることを忘れないでください。