反応性クライオプラズマの創製とその材料加工プロセスへの応用

• Project/Area Number: 13J06697
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Material processing/treatments
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 宗岡 均 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: クライオプラズマ / プラズマ化学 / 超臨界流体 / 密度揺らぎ / 絶縁破壊 / 電界電子放出 / 低誘電率材料

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、本研究課題の最終年度として、これまでに行ってきた、(A)ヘリウム（He）の気液臨界点近傍における絶縁破壊現象についての研究、(B)He/窒素混合系クライオプラズマ中の種々の反応のプラズマガス温度依存性についての実験および計算による研究、(C)レーザー干渉計によるプラズマガス温度測定について、さらなる実験・考察をおこなった。さらに、これまでの基礎的な研究結果を材料加工プロセスの応用につなげるための研究として、(D)クライオ温度における高圧N2およびAr中における新たな放電電極の開発と材料の表面処理についての研究を新たに行った。
まず、(A)については、本年度は得られた結果の論文誌（J Phys E）およびプラズマ表面処理に関する国際学会において発表を行った。(B)の研究では、「プラズマガス温度」というパラメータのプラズマ化学における重要性を明確に示し、クライオプラズマのみならず一般的な非平衡プラズマにおいてもインパクトがあるものと考えている。また、(C)については、クライオプラズマにおいて重要な課題であるガス温度制御のために、ガス温度評価が必要であり、レーザーヘテロダイン干渉計による屈折率測定を通じてガス温度を見積もる手法を活用した。レーザー干渉計を組み上げ、新たに測定を行った。
続いて、(D)において新たな高密度流体中プラズマ源の開発を行った。本研究では、Heよりも安価で工業的な応用が見込めるN2およびArにおいて、それぞれ臨界温度付近の温度において、気体、超臨界流体、液体にまたがる領域におけるプラズマ源の開発を行った。本研究では、電界電子放出能の高いカーボンナノチューブを利用した誘電体バリア放電により、低電圧で安定かつ大面積のプラズマ源の生成を行うことができた。発光分光測定の結果より、プラズマ中での準安定窒素分子の多量の存在と、準安定分子と誘電体表面の活発な化学反応が示唆され、現在投稿論文執筆中である。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Micrometer-scale electrical breakdown in high-density fluids with large density fluctuations: Numerical model and experimental assessment (2015)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 91 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physreve.91.042316
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Review of electric discharge microplasmas generated in highly fluctuating fluids: Characteristics and application to nanomaterials synthesis (2015)
  • Author(s): S. Stauss, H. Muneoka, K. Urabe, and K. Terashima
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 22 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/1.4921145
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser absorption spectroscopy diagnostics of helium metastable atoms generated in dielectric barrier discharge cryoplasmas (2015)
  • Author(s): K. Urabe, H. Muneoka, S. Stauss, O. Sakai, and K. Terashima
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Issue: 10 Pages: 106101-106101
  • DOI: 10.7567/jjap.54.106101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental and Numerical Investigations of Time-Evolution of Discharge Current and Optical Emission in Helium-Nitrogen Cryoplasmas (2014)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 23 Issue: 6 Pages: 065038-065038
  • DOI: 10.1088/0963-0252/23/6/065038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 小特集「プラズマとナノ界面の相互作用」 3.超臨界流体プラズマの絶縁破壊・ナノ物質合成と密度揺らぎ (2014)
  • Author(s): 宗岡 均、寺嶋 和夫
  • Journal Title: プラズマ核融合学会誌 Volume: 90 Pages: 384-391
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous behavior of the cavitation bubble observed in pulsed laser ablation of Ni in liquid CO2 near the critical point (2014)
  • Author(s): S. Himeno, T. Kato, K. Urabe, S. Stauss, S. Kato, H. Muneoka, M. Baba, T. Suemoto, and K. Terashima
  • Journal Title: IEEE Transactions on Plasma Science Volume: 42 Issue: 10 Pages: 2630-2631
  • DOI: 10.1109/tps.2014.2327233
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microscopic heterodyne interferometry for determination of electron density in high-pressure microplasma (2014)
  • Author(s): K. Urabe, H. Muneoka, S. Stauss, and K. Terashima
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 23 Issue: 6 Pages: 064007-064007
  • DOI: 10.1088/0963-0252/23/6/064007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of light irradiation on Townsend breakdown in gaseous and supercritical helium at 5.2 K (2014)
  • Author(s): D. A. Lacoste, H. Muneoka, T. F. Guiberti, D. Z. Pai, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 22 Issue: 1 Pages: 012002-012002
  • DOI: 10.1088/0963-0252/23/1/012002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Breakdown Characteristics of Electrical Discharges in High-Density Helium near the Critical Point (2013)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 6 Issue: 8 Pages: 086201-086201
  • DOI: 10.7567/apex.6.086201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Near-Infrared Laser Heterodyne Interferometry for the Diagnostics of Electron and Gas Number Densities in Microplasmas (2013)
  • Author(s): K. Urabe, H. Muneoka, S. Stauss, K. Terashima
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 6 Issue: 12 Pages: 126101-126101
  • DOI: 10.7567/apex.6.126101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ashing of photoresists using dielectric barrier discharge cryoplasmas (2013)
  • Author(s): S. Stauss, S. Mori, H. Muneoka, K. Terashima, and F. Iaco, i
  • Journal Title: Journal of Vacuum Science & Technology B Volume: 31 Issue: 6 Pages: 061202-061202
  • DOI: 10.1116/1.4825202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamics of pulsed laser ablation in high-density carbon dioxide including supercritical fluid state (2013)
  • Author(s): K. Urabe, T. Kato, S. Stauss, S. Himeno, S. Kato, M. BabaT. Suemoto, K. Terashima
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 114 Issue: 14
  • DOI: 10.1063/1.4824538
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Shadowgraph Imaging and Numerical Simulation of Cavitation Bubbles Formed in PulsedLaser Ablation Plasmas in the Vicinity of the Critical Point of CO2 (2015)
  • Author(s): Hitoshi Muneoka
  • Organizer: 68th Annual Gaseous Electronics Conference/9th International Conference on Reactive Plasmas/33rd Symposium on Plasma Processing
  • Place of Presentation: Honolulu, HI, USA
  • Year and Date: 2015-10-12
• [Presentation] Electric Breakdown Model for High-pressure and Fluctuating Fluids near the Critical Point (2015)
  • Author(s): Hitoshi Muneoka
  • Organizer: 10th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2015-09-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超臨界CO2中パルスレーザーアブレーションにより生成されたキャビテーションバブルの時間発展解析 (2015)
  • Author(s): 宗岡均
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 高圧気体・超臨界流体中における密度揺らぎのスケール依存性を考慮した放電モデルの構築 (2015)
  • Author(s): 宗岡 均、占部 継一郎、シュタウス スヴェン、寺嶋 和夫
  • Organizer: 第 62 回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] Dependency of Reaction Dynamics on Plasma Gas Temperature in He/N2 Cryoplasmas (2014)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-21
• [Presentation] Experimental and Numerical Investigation of the Dependency of Reaction Dynamics on the Plasma Gas Temperature in He/N2 Cryoplasmas (2014)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Organizer: 67th Gaseous Electronics Conference
  • Place of Presentation: Marriott City Center and Raleigh Convention Center (Raleigh, NC, USA)
  • Year and Date: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [Presentation] Dependency of Reaction Dynamics on Plasma Gas Temperature in He/N2 Cryoplasmas (2014)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Organizer: 12th Asia Pacific Conference on Plasma Science and Technology and 27th Symposium on Plasma Science for Materials
  • Place of Presentation: Adelaide Convention Centre (Adelaide, Australia)
  • Year and Date: 2014-08-31 – 2014-09-05
• [Presentation] Electric breakdown model for micrometer gap discharges in fluctuating fluids near the critical point (2014)
  • Author(s): H. Muneoka, K. Urabe, S. Stauss, and K. Terashima
  • Organizer: The International Union of Materials Research Society – International Conference in Asia 2014
  • Place of Presentation: 福岡大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2014-08-24 – 2014-08-29
• [Presentation] 液体窒素温度(77K)以下のヘリウム/窒素混合ガス中におけるクライオプラズマ反応機構 (2014)
  • Author(s): 宗岡 均
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学(神奈川県相模原市)
  • Year and Date: 2014-03-17
• [Presentation] Characterization of helium cryoplasmas below 60 K with continuous gas temperature control (2014)
  • Author(s): H. Muneoka
  • Organizer: 8^<th> International Conference on Reactive Plasmas and 31^<st> Symposium on Plasma Processing
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場(福岡県福岡市)
  • Year and Date: 2014-02-06
• [Presentation] Electrical Breakdown Characteristics in Fluctuating Fluids near Gas-liquid Critical Point of Helium (2013)
  • Author(s): H. Muneoka
  • Organizer: The 66^<th> Gaseous Electronic Conference
  • Place of Presentation: プリンストン、アメリカ合衆国
  • Year and Date: 2013-10-01
• [Presentation] Electrical discharges in a fluctuating helium fluid near the critical point (2013)
  • Author(s): H. Muneoka
  • Organizer: The 12^<th> Asia Pacific Physics Conference
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場(千葉県千葉市)
  • Year and Date: 2013-07-17
• [Presentation] Microplasma breakdown voltages in helium in the vicinity of the critical point (2013)
  • Author(s): H. Muneoka
  • Organizer: The 7^<th> international Workshop on Microplasmas
  • Place of Presentation: 北京、中国
  • Year and Date: 2013-05-22
• [Presentation] Gas-temperature-dependent self-organized pattern formation in helium dielectric barrier discharge cryo-microplasmas (2013)
  • Author(s): H. Muneoka
  • Organizer: The 7^<th> international Workshop on Microplasmas
  • Place of Presentation: 北京、中国
  • Year and Date: 2013-05-22
• [Remarks]
  • URL: http://www.plasma.k.u-tokyo.ac.jp/japanese/publications.html