大気圧非平衡プラズマのミクロ構造解明とナノ量子物性材料合成プロセスへの展開

大气非平衡等离子体微观结构的阐明及其在纳米量子材料合成过程中的应用

基本信息

批准号：
18686018
负责人：
野崎智洋
金额：
$ 19.22万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

大気圧では,バルクプラズマと電極(または合成基板)の境界領域に厚さ約100μmの衝突性シースが形成される。このシースには1000 V/cmを超える高電界領域が形成されるにもかかわらず,大気圧では粒子間の衝突頻度が高いためにイオンは加速しきれない(イオンエネルギー:0.01eV以下)。このような大気圧独自の反応系が大きな注目を集め,先進材料合成プロセスの実現に向けた基礎・応用研究が急展開している。本研究では,イオンダメージ,ラジカルダメージを回避できる新しいプラズマCVD法としてカーボンナノチューブ(CNT)の合成に適用し,減圧プラズマCVDではこれまでほとんど成功例のない垂直配向単層CNTの合成に成功した。平成19年度は,前年度に構築した可視顕微ラマン分光システムを紫外ラマン分光(He-Cdレーザー:325 nm)へ拡張し,プラズマ分光診断および合成されたCNTの性状評価に適用した。プラズマ分光診断には,前年度と同様にプラズマシースを模擬したミニチュアリアクター今開発し,電子温度,ガス温度,励起温度など種々のプラズマパラメータを計測した。これらの結果を受け,単層カーボンナノチューブを合成するための大気圧プラズマCVD装置(汎用真空チャンバー,及びメカニカルブースターポンプ)を関発した。 CNT合成実験では,プロセス制御において最も重要となる合成圧力の影響を調べた。その結果,大気圧(100 kPa)では単層CNTがほぼ100%の収率で合成されるが,僅か20 kPa (1/5気圧)まで減圧するだけで,単層CNTが多層CNTに転移する現象をはじめて見出し,大気圧プラズマCVD特有の反応系を明示することに成功した。現在,大気圧プラズマをベースに微結晶シリコン,ダイヤモンド, GaNなど様々な製膜プロセスが開発されているが,これらのプロセスを統一的に理解するうえで極めて重要な知見を得ることに成功した。さらに,四重極質量分析計を用いて,サブミリメートルスケ-ルのプラズマシースに存在する化学種を同定するシステムも構築し,大気圧プラズマケミストリーの総括的なメカニズム解明を行った。その結果,CH_4の分解によって生じる主な活性種はCH_3ラジカルであることが判明した。なお,ここで関発したミニチュアリアクターは,量子物性を有するシリコン量子ドットを合成するためのマイクロリアクターとしても応用展開した。大気圧プラズマの高反応性を利用して原料ガスを分解すると同時に,三体衝突によってナノクラスターの生成を促進し,赤色(670 nm)から青色(400 mn)までチューナブルに可視発光するシリコン量子ドットの合成に成功した。

在大气压下，在散装等离子体和电极（或合成底物）之间的边界区域形成了约100μm厚的碰撞鞘。尽管在此鞘中形成了高电场区域以上超过1000 v/cm，但由于在大气压下颗粒之间的碰撞频率高（离子能量：0.01 eV或更低），因此无法加速离子。这种具有大气压力的独特反应系统引起了很多关注，基本和应用的研究正在迅速发展，以实现高级材料的合成过程。在这项研究中，我们将碳纳米管（CNT）的合成作为一种新的等离子体CVD方法，可以避免离子损伤和根本性损伤，并且我们成功地垂直合成了垂直定向的单层CNT，在解压缩等离子体CVD中尚未成功。 2007年，上一年构建的可见微拉曼光谱系统扩展到紫外线光谱（HE-CD激光：325 nm），并应用于血浆光谱诊断和合成CNT的表征。对于等离子体光谱诊断，我们刚刚开发了一个微型反应器，该反应器像上一年一样模拟等离子鞘，并且测量了各种等离子体参数，例如电子温度，气温和激发温度。基于这些结果，我们开发了一种大气压力等离子体CVD设备（通用真空室和机械加强泵），用于合成单壁碳纳米管。在CNT合成实验中，研究了合成压力在过程控制中最重要的效果。结果，单层CNT在大气压（100 kPa）的产量下合成，但通过降低至仅20 kPa（1/5 atm），首先引入了单层CNTS转移到多层CNT的单层CNT的现象，并将其引入多层CNT，并且对大气压力质量质量质量质量质量质量质量质量质量质量质量质量占据了。当前，基于大气压力等离子体开发了各种膜形成过程，例如微晶硅，钻石和甘恩，我们已经成功获得了极为重要的知识，以便以统一的方式了解这些过程。此外，构建了一个系统，以使用四极质量光谱仪来鉴定亚MM量表中存在的化学物种，并阐明了大气压力等离子体化学的一般机制。结果表明，CH_4降解产生的主要活性物种是CH_3自由基。此处涉及的微型反应器也已应用于微反应器，以合成具有量子特性的硅量子点。大气压力等离子体的高反应性用于分解原料气体，同时，通过三体碰撞来促进纳米簇的形成，并合成从红色（670 nm）到蓝色（400 mn）发出可显眼光（670 nm）的硅量子点的合成。