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，在本体等离子体和电极（或合成基板）之间的边界区域形成厚度约100μm的碰撞鞘层。即使在该鞘层中形成超过1000V/cm的高电场区域，由于大气压下粒子之间的碰撞频率高（离子能量：0.01eV以下），离子也无法被加速。这种常压下特有的反应体系引起了人们的广泛关注，为实现先进材料合成工艺而进行的基础和应用研究正在迅速进展。在这项研究中，我们将一种避免离子损伤和自由基损伤的新型等离子体CVD方法应用于碳纳米管（CNT）的合成，并成功合成了垂直排列的单壁CNT，这是低压等离子体CVD很少实现的。 2007年，我们将前年建成的可见微拉曼光谱系统扩展到紫外拉曼光谱（He-Cd激光：325 nm），并将其应用于合成碳纳米管的等离子体光谱诊断和性能评价。在等离子体光谱诊断方面，与去年一样，开发了模拟等离子体鞘层的微型反应器，测量了电子温度、气体温度、激发温度等各种等离子体参数。基于这些结果，我们开发了一种常压等离子体CVD装置（通用真空室和机械增压泵）来合成单壁碳纳米管。在CNT合成实验中，我们研究了合成压力的影响，这是过程控制中最重要的因素。结果，在大气压（100 kPa）下合成单壁碳纳米管的收率几乎为100%，但当压力降至仅20 kPa（1/5大气压）时，单壁碳纳米管就会转变为多壁碳纳米管。我们首次发现了这种现象，并成功阐明了常压等离子体CVD特有的反应体系。目前，基于常压等离子体的微晶硅、金刚石、GaN等各种成膜工艺正在开发中，我们成功地获得了对于统一理解这些工艺极其重要的知识。此外，我们利用四极杆质谱仪构建了亚毫米级等离子体鞘层中存在的化学物种识别系统，全面阐明了常压等离子体化学机理。结果表明，CH_4分解产生的主要活性物种是CH_3自由基。这里涉及的微型反应器也被应用作为合成具有量子物理性质的硅量子点的微反应器。利用常压等离子体的高反应性，分解原料气体，同时通过三体碰撞促进纳米团簇的形成，硅量子分子发射从红色（670 nm）到蓝色可调的可见光（4亿）成功合成点。